đề tài thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn ở tâm dung dịch naoh

Đầu đề thiết kế: Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc liên tục hai nồi xuôi chiều để cô đặc dung dịch: NaOH Hỗn hợp đầu vào thiết bị cô đặc ở nhiệt độ sôi.. Trong đồ án này, nhiệm vụ cần h

VIỆN KĨ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ CÔNG

(Dùng cho sinh viên khối cử nhân kỹ thuật/kỹ sư)

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền

V.

VI

VII Ngày giao nhiệm vụ: Ngày phải hoàn thành: ngày 15 tháng 10 năm 2021

Phê duyệt của Bộ môn

Lớp:

I Đầu đề thiết kế:

Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc liên tục hai nồi xuôi chiều để

cô đặc dung dịch: NaOH

Hỗn hợp đầu vào thiết bị cô đặc ở

nhiệt độ sôi Thiết bị cô đặc loại: Có

ống tuần hoàn ở tâm Ống truyền

nhiệt dài 3m

II Các số liệu ban đầu:

-Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 3,5 kg/s

-Nồng độ cuối của dung dịch: 24% khối lượng

-Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at

-Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2 at

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1.Phần mở đầu

2.Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4)

3.Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

-LỜI MỞ ĐẦU

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa họcnhằm giúp sinh viên biết vận dụng các kiến thức của môn học Quátrình và thiết bị trong công nghệ hóa học và các môn học khác có liênquan vào việc thiết kế một thiết bị chính và một số thiết bị phụ trong

hệ thống thiết bị để thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật có giới hạntrong các quá trình công nghệ

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất làthiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuậttrong sản xuất, sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội được làm đồ án Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học.Việc làm đồ án là một công việc tốt cho sinh viên trong bước tiếp cậntốt với thực tiễn sau khi hoàn thành môn học Quá trình và thiết bịtrong công nghệ hóa học

Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống

cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tụcvới dung dịch NaOH, năng suất 3,5 kg/s từ nồng độ đầu 3% khối lượngđến nồng độ cuối 24% khối lượng Đồ án được thực hiện dưới sựhướng dẫn của TS Nguyễn Thị Thu Huyền Vì đồ án quán trình vàthiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm là đề tài lớn đầutiên mà em được đảm nhận nên không tránh khỏi những thiếu sót vàhạn chế Do đó em rất mong được sự chỉ dẫn, góp từ các thầy cô để

em có thể hoàn thành tốt đồ án này

PHẦN 1 TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan về cô đặc

Quá trình cô đặc: Là quá trình làm tăng nồng độ của chất tan

(không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi Đặc điểm của quátrình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, cònchất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dungchất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗnhợp này cũng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ ở mỗi nhiệt độ Hơicủa dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ởnhiệt độ cao có thể đun nóng một thiết bị khác

Cô đặc nhiều nồi: Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ

thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa về sử dụng nhiệt hiệu quả Nguyêntắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằnghơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được bốc lên để làm hơi đốt cho nồi thứ

2, hơi thứ của nồi thứ 2 được làm hơi đốt cho nồi thứ 3,… Hơi thứ ở nồicuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồiđầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên domột phần dung môi bốc hơi Hệ thống này được sử dụng khá phổbiến Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ranồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi Nhược điểm là nhiệt độnồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt củadung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từnồi đầu đến nồi cuối

Phương pháp cô đặc hai nồi xuôi chiều: Là phương pháp được sử

dụng khá phổ biến do có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi 1sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi Nhiệt độ hơi thứ nồi 1lớn hơn nhiệt độ sôi nồi 2 nên hơi thứ nồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2

do đó có thể tiết kiệm năng lượng Nhược điểm của nó là nhiệt độ nồisau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt củadung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từnồi đầu đến nồi cuối

Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm: Vận tốc tuần hoàn

của loại thiết bị này không quá 1,5 m/s Thiết bị cô đặc có ống tuầnhoàn ở trung tâm có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làmsạch Nhưng có nhược điểm là vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuầnhoàn cũng bị giảm Thiết bị loại này dùng để cô đặc các dung dịch có

Natri hydroxit có tính nhờn, làm bục vải, giấy và ăn mòn da.NaOH là chất rắn màu trắng ở dạng viên, vảy hoặc hạt, có khối lượngmol là 40 g/mol, khối lượng riêng là 2.1 g/cm3, điểm nóng chảy là 318

°C, điểm sôi là 1390 °C, Tan nhiều trong nước (98 g/100 mL (10 °C),

Tác dụng với hợp chất lưỡng tính: NaOH + Al(OH)3 → NaAl(OH)4

2NaOH + Al2O3 → 2NaAlO2 + H2OTác dụng với một số kim loại mà oxit, hydroxit của chúng có tínhlưỡng tính (Al, Zn…):

2NaOH + 2Al + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2↑

2NaOH + Zn → Na2ZnO2 + H2↑

Toàn bộ dây chuyền sản xuất xút ăn da (NaOH) là dựa trên phảnứng điện phân nước muối (nước cái) Trong quá trình này dung dịchmuối (NaCl) được điện phân thành Clo nguyên tố (trong buồng anốt),dung dịch Natri hydroxit, và hidro nguyên tố (trong buồng catốt) Nhàmáy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường được gọi lànhà máy xút-clo Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điệnphân là:

2Na+ + 2H2O + 2e− → H2↑ + 2NaOHPhản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân cómàng ngăn:

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑

Natri hydroxit (NaOH) thường được gọi là xút hoặc xút ăn da Natri hydroxit tạo thành dung dịch kiềm mạnh khi hòa tan trong dungmôi như nước Nó được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa, Sản lượng trên thế giới năm 1988 vào khoảng 45 triệu tấn Natri hydroxit cũng được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm

1.3 Các kiểu buồng điện phân

Điểm phân biệt giữa các công nghệ này là ở phương pháp ngăncản không cho Natri hydroxit và khí Clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo racác sản phẩm tinh khiết

- Buồng điện phân kiểu thủy ngân: Trong buồng điện phân kiểu thủyngân thì không sử dụng màng hoặc màn chắn mà sử dụng thủyngân như một phương tiện chia tách

- Buồng điện phân kiểu màng chắn: Trong buồng điện phân kiểumàng chắn, nước muối từ khong anot chảy qua màng chia tách

để đến khoang catot; vật liệu làm màng chia tách là amian phủtrên catot có nhiều lỗ

- Buồng điện phân kiểu màng ngăn: Còn trong buồn điện phân kiểumàng ngăn thì màng chia tách là một màng trao đổi ion

PHẦN 2: SƠ ĐỒ VÀ MÔ TẢ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

2.1 Sơ đồ công nghệ

Các thiết bị trong sơ đồ công nghệ:

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị.

Nguyên liệu đầu là dung dịch NaOH có nồng độ là 3% được bơm(2) đưa vào thùng cao vị số (3) từ thùng chứa (1), sau đó từ thùng cao

vị chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5) Tạiđây dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô đặc 1

Ở nồi 1, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóngkiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt đi từ dướilên, hơi nước bão hòa có áp suất at được đưa từ bên ngoài vào buồngđốt để đun nóng dung dịch Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốtbằng cửa tháo nước ngưng Dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi

là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phậntách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua bọt.Hơi thứ ra khỏi nồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2 để tận dụng nhiệt Do

có sự chênh lệch áp suất giữa hai nồi (áp suất nồi sau nhỏ hơn nồitrước) dung dịch từ nồi 1 chảy sang nồi thứ 2 Nhiệt độ của nồi trướclớn hơn nhiệt độ của nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độcao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm nguội , lượng

nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quá trình tựbốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơnnhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần phải tiêu tốn thêm 1 lượng hơiđốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịchtrước khi đưa vào nồi đầu được đun nóng sơ bộ.

Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được đưa vào thùng chứa sảnphẩm Hơi thứ bốc ra khỏi nồi thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụbaromet Trong thiết bị ngưng tụ nước làm nguội từ trên đi xuống,hơi cần ngưng đi từ dưới đi lên, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏngchảy qua ống baromet (8) ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết

bị thu hồi bọt rồi vào bơm hút chân không

đảm bảo hoạt động của hệ thống

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH Các số liệu đầu:

o Nồng độ đầu của dung dịch: xđ = 3% khối lượng

o Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 24% khối lượng

o Hơi đốt: hơi nước bão hòa

o Áp suất hơi đốt nồi 1: p1 = 4 at

o Áp suất hơi ngưng tụ: p2 = png = 0,2 at

o Chiều cao ống truyền nhiệt: H = 3 m

3.1 Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống: W [kg/h]

x c) [4-55]

=> W =12600×(1− 3

24) = 11025 [kg/h]

3.2 Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

o Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: W 1, [kg/h]

o Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: W 2, [kg/h]

Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là W 1 :W 2= 1:1,04

3.4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP P

Theo công thức:

Δ P= p1−p ng=4−0,2=3,8 [at]

Trong đó: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trongthiết bị ngưng tụ png, at

3.5 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi

3.5.1 Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi

Gọi ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp ppi : chênh lệch áp suất trong nồi thứ i [at]

Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pp1 : ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pp2 = 2,0:1

Ta có : {Δp1+Δp 2= Δp=3,8 Δp1−2 Δp2=0 => {Δp2=1,27(at ) Δp1=2,53 (at )

3.5.2 Tính áp suất hơi đốt từng nồi suy ra nhiệt độ hơi đốt

Áp suất hơi từng nồi: pi = pi-1 – ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp ppi-1 [at]

- Nhiệt lượng riêng: i1 = 2744.103 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r1 = 2141.10 3 (J/kg)

Nồi 2: P2 = 1,47 (at)

- Nhiệt độ hơi đốt: T2 = 110.1 °C

- Nhiệt lượng riêng: i2 = 2696,5.103

- Nhiệt hóa hơi: r2 = 2233,5.103 (J/kg)

3.6 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi

Áp dụng công thức: ti′ = Ti+1 + ∆i′′′ [°𝐶]

Trong đó:

- Ti là nhiệt độ của hơi đốt cho nồi thứ i, oC

- ∆i′′′ là tổn thất nhiệt do trở lực đường ống, oC

Chọn ∆1′′′ = ∆2′′′= 1 oC

Thay số ta được:

(*) Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là: 𝑡1′ = 𝑇2 + ∆1′′′ = 110,1 +1= 111,1 ℃

(*) Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là: 𝑡2′ = Tng + ∆2′′′

Với Tng là nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị ngưng tụ

Ta có Png = 0,2 (at) ta được Tng = 59,70 oC bảng I.251 [1-314]

=> t2′ = Tng + ∆2′′′ = 59,7 + 1 = 60,7 (oC)

Tra bảng I-250 [1-312] và nội suy ta có :

+ Nồi 1: với 𝑡1′= 111,1 °C ta được - Áp suất hơi thứ : 𝑃1′ = 1,52 (at)

- Nhiệt lượng riêng:: 𝑖1′ = 2699.103 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: : 𝑟1′ = 2231.103 (J/kg)+ Nồi 2: với 𝑡2′ = 60,7 °C ta được - Áp suất hơi thứ: 𝑃2′ = 0,21 (at)

- Nhiệt lượng riêng: 𝑖2′ = 2608,4.103 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: 𝑟2′ = 2355,6.103 (J/kg)Lập bảng tổng hợp số liệu 1:

Nồi

p, at T, °C i.10

3,J/kg

r.103,J/kg p’, at t’, °C

i’.103,J/kg

r’.103, J/

kg

3.7 Tính tổn thất nhiệt độ trong từng nồi

3.7.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆i′′)

Công thức tính: ∆i′′ = ttbi – ti’ (°C)

- ttbi xác định theo (tương ứng với) áp suất thủy tĩnh Ptbi ở lớp giữacủa khối ( lỏng-hơi) trong ống tuần hoàn, at

- 𝑡𝑖′ nhiệt độ sôi ứng với 𝑝𝑖′ ,at

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc được tính theo công thức:

p tbi=p i '+[1

2×(h1+H

2 )× ρ si × g], (at)Trong đó:

- pi’: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, at

- h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoángdung dịch Chọn h1 = 0,5m

- H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 3 m

- ρs: Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi , [kg/m3]

=> ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1’’ = ttb1 - t’1 = 113,24- 111,1 = 2,14℃

Với nồi 2: Ptb2 = P’2 + [1/2.(h 1+H /2)×(ρs 2 × g)]/9,81.104

= 0,21 + [1/2.(0,5+3 /2)×(1262,9× 9,81)]/9,81.104

= 0,34 at

Tra bảng I.251 [1-314] với Ptb2 = 0,34 at => ttb2 = 71,38℃

=> ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p2’’ = ttb2 - t’2 = 71,38 – 60,7 = 10,68℃

∑Δ’’= ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1’’+ ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p2’’ = 5,77 + 10,68 = 16,45 ℃

3.7.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ΔP ’ 1 : dùng phương pháp Tysenco

X0= 3% => ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’o = 0,8

x1 = 5,25% => ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’o1 = 1,09 ℃

x2 = 24% => ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’o2 = 11,4 ℃

Vậy:

ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’1 = f ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’01 = 16,2 (t tb1+273)2

r '1 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’01 = 16,2 (113,24 +273)2

2232000 1,09 = 1,18℃

ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’2 = f ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’02 = 16,2 (t tb2+273)2

r '2 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’02 = 16,2 (71,38+273)2

2355500 11,4 = 9,30℃

3.7.3 Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống

Như đã nói ở trên ta chọn tổn thất nhiệt độ đo đường ống là 1°C

⇨ ⅀Δ’’’= ΔΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’’’= ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1’’’+ ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p2’’’= 1+1= 2 °C

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ là:

ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p = ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’ + ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’’ + ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p’’’= (1,18+9,30) + (2,14+10,68) + (1+1) = 25,3

3.8.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

tsi = t’i + Δ'i + Δ''i

- 𝐺đ :Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị, kg/h

- 𝐷 :lượng hơi đốt đi vào nồi thứ nhất, kg/h

- i1, i2 :nhiệt lượng riêng của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

- i1’,i2’: nhiệt lượng riêng của hơi thứ đi ra khỏi nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

- 𝜃1, 𝜃2 : nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, ℃

- 𝐶0, 𝐶1, 𝐶2 : nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2, j/kg.độ

- 𝐶𝑛𝑐1, 𝐶𝑛𝑐2 : nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2, j/kg.độ

- 𝑄𝑚1 , 𝑄𝑚2 : nhiệt lượng mất mát nồi 1, nồi 2,

- 𝑤1, 𝑤2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, kg/h

- 𝑡𝑠0, 𝑡𝑠1, 𝑡𝑠2: nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2, ℃

3 9.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH

Nhiệt độ sôi của dung dịch đi vào các nồi

Tra bảng I.204 [1-236] và nội suy: ts0= 111,90℃

+ Dung dịch ban đầu có xđ = 3 % Khối lượng nên ta có:

Trong đó: Cht là nhiệt dung riêng chất hòa tan khan không có nước [J/Kg.độ]

Theo công thức I.41[1-152] ta có:

M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + … + nn.cnTrong đó:

- M: Khối lượng mol hợp chất

- n1, n2,…, nn:Số nguyên tử của nguyên tố trong hợp chất

- c1, c2,…, cn:Nhiệt dung riêng của các nguyên tố tương ứng [J/Kg.độ].

- Dung dịch NaOH có MNaOH = 40, n1 = 1, n2 = 1, n3 = 1

3.9.2 Các thông số của nước ngưng

Nhiệt độ nước ngưng đi ra khỏi thiết bị bằng nhiệt độ hơi đốt đi vào:

- Do sản phẩm mang ra: (Gd – W1)C1ts1

- Do hơi thứ: W1i1 ’

- Do nước ngưng: D×Cnc1×θ1

- Do tổn thất Qm1 = 0,05×(i1 – Cnc1θ1)

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:

Kiểm tra sai số:

Với nồi 1: ε1 = |W1−W¿ 1|

W¿1 100% = |5519,04−5404,41|

5404,41 100% = 2,12% < 5%Với nồi 2: ε2 = |W 2−Wgt 2 Wgt 2 |.100% = |5505,96−5620,595620,59 |.100% = 2,04% < 5%Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận giả thiết

Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi giữa các nồi trong hệ: W1 : W2 = 1 : 1,00

3.10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi

3.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α 1i khi ngưng tụ hơi

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

Nồi 1 là: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt11 = 3,23 [ °C]

Nồi 1 là: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt12 = 3,12 [°C]

Trong phòng đốt thẳng đứng (H<6m), hơi ngưng bên ngoài ống, màng nước ngưngchảy dòng nên hệ số cấp nhiệt tính theo công thức [2-58]:

α 1 ,i = 2,04× Ai×( r i

∆ t 1i H)0,25 [W/m2.độ]

Trong đó:

- 𝐻 : chiều cao ống truyền nhiệt, H=3m

- 𝛼1𝑖: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i , ( w/𝑚2)

- ∆𝑡1𝑖: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía bề mặt tường tiếp xúc vớihơi nước ngưng của nồi i, ℃

- r : ẩn nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt , 𝑗/kg

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

Nhiệt độ màng tính theo công thức:

3.10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

Gọi q1i : Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i

Ta có: q1i = α1i ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt1i [W/m2] [3-333]

=> q11 = α11 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt11 = 8588,76.3,23=27741,68[W/m2]

q12 = α12 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt12 =8243,83.3,12=25720,74 [W/m2]

Lập bảng tổng hợp số liệu 4:

Nồi ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt1i , [°C] tm , [°C] A α1i , [W/m2.độ] q1i , [W/m2]

- 𝑃𝑖 :áp suất hơi thứ nồi i (at)

- ∆𝑡2𝑖 : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch,ta có:

ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt2i = tT2i – tddi = ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pTi - ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt1i - ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp ptTi (°C)

Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống truyền nhiệt:

∆tTi = q1i.∑r , ℃Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt : ∑ r = r1 + r2 + σ λ [𝑚2 độ/w] [4-3]

Với: r1, r2: Nhiệt trở cặn bẩn ở 2 phía của thành ống

- Tham khảo bảng V.1, tài liệu [2-4]:

- Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch: r1 = 0,387.10-3 m2.độ/W

- Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa: r2 = 0,232.10-3 m2.độ/W

- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống lấy theo bảng XII.7, tài liệu [4-313] ta có:

- λ: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (thép không gỉ, bền nhiệt

và chịu nhiệt) Chọn thép Cacbon CT3: λ = 50 [W/m2.độ]

- Bề dày thành ống truyền nhiệt lấy δ = 2.10-3 m

Thay số vào ta có:

∑r =0,387.10−3+0,232.1 0−3+2.10−3

50 =0,659.1 0

−3 [m2.độ/W]

⇨ ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp ptT1 = q11.Σr =r =27741,68 0,659.10-3 = 18,28(°C)

⇨ ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp ptT2 = q12.Σr =r = 25720,74 0,659.10-3 = 16,95 (°C)

Từ đó ta có: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt21 = ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pT1 – ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt11 – ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp ptT1 = 28,48 – 3,23 – 18,28 = 6,97 (°C)

ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt22 = ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pT2 – ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt12 – ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp ptT2 = 29,42 – 3,12 – 16,95 = 9,35 (°C)

Hệ số hiệu chỉnh tính theo công thức:

- C: Nhiệt dung riêng [J/Kg.độ]

- λ, ρ, μ, C tra theo nhiệt độ của dung dịch: ts1= 114,42℃ ts2= 80,68 ℃ ;

Các thông số của nước

+ Tra bảng I.249 [1-311] và nội suy ta có:

Các thông số của dung dịch:

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaOH tính theo công thức:

[1-123]

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:

Khối lượng mol M tính theo công thức :

Trong đó phần mol của NaOH trong dung dịch là:

40 +

94,75%

18 = 2,43(%mol)

24 %

40 +

76 %18 = 12,44(%mol)

λdd2 = A.Cdd2.ρdd2.3

√ρ dd 2

M2 = 3,58.10-8.3495,94 1225,4.3

√1225,420,74 = 0,597 (W/m.độ)

Độ nhớt của dung dịch tính theo công thức Pavalov:

Tra µ1, µ2 dựa vào Bảng I.107 [1-100]

Tra θ1, θ2 dựa vào Bảng I.102 [1-94]

Theo công thức Pavalov:

Nồi 2: (tương tự như nồi 1)

Lấy nước làm chất tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x1=24%

Chọn t1= 600C, ta có µ12= 1,99.10-3 (N.s/m2) θ12= 19,51 0C

Chọn t2= 800C, ta có µ22= 1,55.10-3 (N.s/m2) θ22= 28,850C

Tra µ1, µ2 dựa vào Bảng I.107 [1-100]

Tra θ1, θ2 dựa vào Bảng I.102 [1-94]

Theo công thức Pavalov:

=> 19,51−22,8560−80 =80−80,68

28,85−θ32

=> θ32 = 28,96°C

Thay vào bảng I.102[1-94] và nội suy với θ32 = 28,96 °C ta được

Thay vào công thức ta có:

α2i = 45,3.(pi’)0,5.ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt2i2,33.ψi [W/m2.độ]

μnci.10-3N.s/m2

5

3.10.4 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch

Theo công thức: q2i = α2i ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt2i [W/m2]

Thay số vào có:

q21 = α21 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt21 = 3995,89.6,97 = 27851,35 [W/m2]

q22 = α22 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt22 = 2766,47.9,35 = 25866,49[W/m2]q11 = α11 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt11 = 8588,76.3,23=27741,68[W/m2]q12 = α12 ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt12 =8243,83.3,12=25720,74

3.10.5 So sánh q 1i và q 2i

Sai số:

Nồi 1: ε1 = |q11−q21|

q11 100% = |27741,68−27851,3527741,68 |.100% = 0,39% < 5%Nồi 2: ε2 = |q12−q22|

q12 100% = |25720,74−25866,49|

25720,74 100% = 0,57% < 5%Vậy ta chấp nhận giả thiết: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt11 = 3,23 °C; ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt12 = 3,12°C

Ta có bảng số liệu sau 6:

Nồi ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pt2i (°C) Ψi α2i (W/m2.độ) q2i (W/m2)

3.11 Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi

Tính theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích điều kiện bề mặt truyềnnhiệt các nồi bằng nhau:

Lượng nhiệt tiêu tốn:

3.12.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi

Ta có công thức:

(

°

C)Có: Q K1

ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pT i¿

= (ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pT1+ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pT2) .

¿

−∆ T2|

∆ T2 100% = |29,74−29,42|

29,42 100% = 1,09% <5%Vậy ta chấp nhận giả thiết: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pp1:ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp pp2 = 2,0:1

Thay số vào công thức trên ta có:

Nồi 1: F1 = 3609351,33976.28,16 = 131,32(m2)Nồi 2: F2 = 876,74.29,743424104,4 = 131,32(m2)Vậy F1 = F2

PHẦN 4: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Trong tính toán cơ khí ta chỉ cần tính cho nồi 1, thông số nồi 2 lấy giống nồi 1

4.1 Buồng đốt nồi cô đặc

Thiết bị làm việc ở áp suất thấp (<1,52 N/m2), chọn nhiệt thành thiết bị là nhiệt độ môi trường, đối với thiết bị đốt nóng có cách nhiệtbên ngoài Chọn thân hình trụ hàn, làm việc chịu áp suất trong, kiểu hàn giáp mối hai bên, hàn tay hồ quang điện, vật liệu chế tạo là thép bền không gỉ X18H10T Khi chế tạo cần chú ý:

F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của nồi, m3

H – chiều cao của ống truyền nhiệt, m

d tr– đường kính trong của ống truyền nhiệt, m

Theo bảng [2-81], chọn:

Đường kính ngoài của ống là: dng = 38 (mm)

Bề dày ống truyền nhiệt: δ= 2 (mm)

 Đường kính trong của ống truyền nhiệt là:

dtr= dng – 2.δ=¿ 38 – 2.2 = 34 (mm) Chiều dài ống truyền nhiệt là 3 (m)

ống xuyên

tâm

Tổng sốốngkhông kểcác ốngtronghình viênphân

Số ống tronghình viên

trongcác hìnhviênphân

Tổng sốống củathiết bị

(*) Xác định đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm:

tổng thiết diện tất cả các ống truyền nhiệt:

Chọn n’=8 Vậy cần bỏ đi 4 hình lục giác tương đương 61 ống

(*) Kiểm tra lại bề mặt truyền nhiệt

o Chọn bề dày ống tuần hoàn trung tâm là 4 mm

o F: bề mặt truyền nhiệt của các ống truyền nhiệt

F' =Π.dth+ nt.H.Π.dtr = π ( 400+4.2) 10−3.3,00+ 131,32 = 135,16 (m2)

4.1.2 Tính đường kính trong của buống đốt

Đối với thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm có các ốngtruyền nhiệt sắp xếp theo hình lục giác đều Đường kính trong củabuồng đốt được tính theo công thức:

o t – bước ống của chùm ống truyền nhiệt trong buồng đốt;

o d ng – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m)

o ψl – hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường ψl=( 0,7÷ 0,9 ), chọn ψl= 0,9

o L – chiều dài của ống truyền nhiệt (m)

o d th−¿ đường kính ngoài của ống tuần hoàn (m)

o α=60 độ do xếp theo hình lục giác đều, ba ống cạnh nhau ở 2

dãy sát nhau tạo thành 1 tam giác đều có góc ở đỉnh bằng 60

độ

D tr=√0,4 1,3162.√3

2 .38 10

−3.135,160,9.3,00 +(0,4+2.1,316 38 10

−3)2=1,17 9 0(m) Theo bảng XIII.6 [2-359] quy chuẩn Dtr= 1,2 (m)

4.1.3 Tính chiều dày thân buồng đốt

Thân hình trụ hàn, là việc chịu áp suất trong, kiểu hàn giáp nối hai

bên, hàn tay bằng hồ quang điện Tra bảng XII.51 [2-352] chọn vật

o D tr−đường kínhtrong của buồng đốt (m)

o φ – hệ số bền của thân trụ theo phương dọc

o C – giá trị số bổ sung do ăn mòn, do bào mòn và dung sai về

Đại lượng bổ sung C trong công thức XIII.8 [2-360] phụ thuộc vào độ

ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày Xác định đại lượng

C theo công thức:

C= C1 + C2 + C3 , m

Trong đó:

o 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 Đối với vật liệu bền (0,05÷ 0,1 mm/năm¿lấy C1= 1 (mm).

o C2: bổ sung do hao mòn chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn ở trong thiết bị, chọn C2= 0 (mm)

o C3: 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:

Khi tính toán sức bền của thiết bị trước hết cần xác định ứng suất cho phép Đại lượng ứng suất cho phép phụ thuộc vào dạng ứng suất, đặc trưng bền của vật liệu chế tạo, nhiệt tính toán, công nghệ chế tạo và điều kiện sản suất Ứng suất cho phép được xác định theo công thức XIII.1, XIII.2 [2-355]

o [𝜎k], [𝜎c]: ứng suất cho phép khi kéo, theo giới hạn chảy.

o 𝜎k: giới hạn bền khi kéo Tra bảng XII.4 [2 - 309] với thép không

[𝜎] = min {[𝜎k], [𝜎c]} = [𝜎k]¿132,00.106(N/m2)

(*) Xác định áp suất làm việc (áp suất trong thiết bị)

Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi – lỏng, áp suất được tính như sau:

pb = pmt + p1pmt: áp suất hơi trong thiết bị = 4 at = 4.98100=

Có thể bỏ qua pbở mẫu số trong công thức tính S

Vậy tính được chiều dày buồng đốt:

Quy chuẩn theo XIII.9 [2-364] chọn S= 6.10-3 (m)

(*) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

Trong tất cả mọi trường hợp sau khi đã xác định được chiều dày thiết

bị, ta cần kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức XIII.26 [2-365]

Đảm bảo điều kiện Vậy chọn chiều dày phòng đốt là S = 6 (mm)

4.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống

Chiều dày lưới đỡ ống phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Để đáp ứng yêu cầu này chọn chiều dày tối thiểu của mạng ống là S’

= 13 (mm)

Để đáp ứng yêu cầu này thì chiều dày mạng ống là S = S’ + C = 13 + 1,4 = 14,40 (mm) => Chọn S = 15 mm

nung cũng như sau khi nung ống

Để thỏa mãn yêu cầu này thì cần đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi ống là f ≥ fmin

Tiết diện dọc giới hạn bởi ống là 𝑓 = 𝑆 (𝑡 − 𝑑𝑛) ≥ 𝑓𝑚𝑖𝑛 = 4,4𝑑𝑛 + 12 (𝑚𝑚2)

Trong đó:

o S: Là chiều dày mạng ống, mm

Để thỏa mãn yêu cầu này ta tiến hành kiểm tra mạng ống theo giớihạn bền uốn với điều kiện