đồ án môn học thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi dung dịch nacl

Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 11520 kg/h, nồng

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM

3 Cô đặc nhiều nồi 3

4 Giới thiệu về NaCl 3

II Sơ đồ và mô tả dây chuyền công nghệ 4

III Tính toán thiết bị chính 5

1 Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 5

2 Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi hơi: 5

3 Nồng độ dung dịch trong mỗi nồi: 6

4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống: ∆p 6

5 Chênh lệch áp suất nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi: 6

6 Tính nhiệt độ ( t’i ) và áp suất hơi thứ ( p’i ) ra khỏi từng nồi 7

7 Tính tổn thất nhiệt độ trong từng nồi 8

7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆i” 8

7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆i’ 9

7.3 Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống 10

8 Tính hệ số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 10

8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 10

8.2 Nhiệt độ sôi trong mỗi nồi 10

8.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi 10

9 Lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng hơi thứ Wi ở từng nồi 11

9.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch NaCl 12

9.2 Các thông số của nước ngưng 13

9.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 13

10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi: 15

10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi 15

10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 16

10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α2i từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 16

10.4 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch 21

10.5 So sánh q1i và q2i: 22

11 Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi 22

12 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi 23

13 So sánh Δti’ và Δti 23

14 Tính bề mặt truyền nhiệt F 24

IV Tính toán thiết bị phụ 24

1 Tính thiết bị ngưng tụ baromet 24

1.1 Tính lượng nước lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ: 25

1.2 Tính đường kính trong thiết bị 26

1.8 Tính chiều cao ống baromet: 28

1.9 Tính lượng hơi và khí không ngưng: 29

2 Tính bơm chân không 30

3 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 31

3.1 Tính nhiệt lượng trao đổi Q 31

3.2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích 31

3.3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể 32

3.4 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 32

3.5 Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy 33

3.6 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch 35

1.1 Xác định số ống trong buồng đốt 37

1.2 Xác định đường kính trong của buồng đốt 38

1.3 Xác định chiều dày buồng đốt 40

1.4 Chiều dày đáy phòng đốt 44

1.5 Tra bích để lắp vào thân 47

2 Buồng bốc hơi 47

2.1 Thể tích buồng bốc hơi 47

2.2 Chiều cao phòng bốc hơi 48

2.3 Chiều dày phòng bốc hơi 48

LỜI MỞ ĐẦU

Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hóa học là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của môn học Trên cơ sở kiến thức đó và một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức,quy trình trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phòng khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 11520 kg/h, nồng độ dung dich ban đầu 5%kg , nồng độ sản phẩm 22%kg

Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của thầy để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Minh Tân đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dung khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dung hơi nước bão hoà để đốt nóng

2 Các phương pháp cô đặc

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất, trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục Trong hệ thống nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc

Cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở ; còn làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không(áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân huỷ bởi nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế

3 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 Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được đưa vào nồi thứ 2 để làm hơi đốt, hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm hơi đốt cho nồi thứ 3… Hơi thứ ở nồi cuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốc hơi Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến

Ưu điểm của hệ thống này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi

Nhược điểm là nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

4 Giới thiệu về NaCl

Natri clorua hay còn gọi là muối ăn, muối mỏ, là hợp chất hóa học với công thức hóa học là NaCl Natri clorua là muối chủ yếu tạo ra độ mặn trong các đại dương và của chất lỏng ngoại bào của nhiều cơ thể đa bào Là thành phần chính trong muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực phẩm Natri clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương Có điểm nóng chảy là 801độ C Tỷ trọng là 2,16 g/cm3 Độ hòa tan trong nước khoảng 35,9 g / 100 ml ở 25 độ C Ngày nay, muối NaCl được sản xuất bằng cách cho bay hơi nước biển hay nước muối từ các nguồn khác, chẳng hạn các giếng nước muối và hồ muối và bằng khai thác muối mỏ NaCl có rất nhiều ứng dụng trong

thực tế Trong gia đình được sử dụng như một gia vị không thể thiếu Trong y dược còn dùng để sát trùng vết thương, cầm máu các vết thương ngoài da Trong công nghiệp hóa chất lượng muối tiêu thụ hàng năm chiếm 80 % sản lượng muối trên thế giới

II Sơ đồ và mô tả dây chuyền công nghệ

Chú thích:

1 Thùng chứa dung dịch đầu

2 Bơm đẩy dung dịch đầu lên thùng cao vị

3 Bơm đẩy dung dịch cuối vào thùng chứa sản phẩm 4 Thùng cao vị chứa dung dịch đầu

thiết của dung dịch vào thiết bị gia nhiệt đầu Thiết bị gia nhiệt đầu (4) gia nhiệt dung dịch tới nhiệt độ sôi của dung dịch Sau đó được đưa vào nồi cô đặc 1 (5) Dung dịch sau nồi 1 đạt nồng độ x1 sẽ sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất Sau nồi 2 dung dịch đạt nồng độ cuối và sẽ được làm lạnh bằng thiết bị làm lạnh (13) sau đó được bơm (16) đẩy vào thùng chứa sản phẩm cuối (14)

Hơi thứ ở nồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2 vì nó có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 2 Hơi thứ nồi 2 đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet nhờ chênh lệch áp suất Hơi được ngưng tụ thành lỏng và tự chảy xuống thùng chứa nước ngưng (18) Khí không ngưng có lẫn bọt qua cơ cấu tách bọt, bọt sẽ đi xuống thùng chứa, còn khí không ngưng đi ra ngoài nhờ bơm hút chân không (19)

III Tính toán thiết bị chính

Các số liệu đầu: Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều ống tuần hoàn tâm

Dung dịch cần cô đặc

Năng suất của hệ thống cô đặc (kg/h)

Nồng độ đầu của dung dịch (% kh lg) (xđ)

Nồng độ cuối của dung dịch (% kh lg) (xc)

Áp suất hơi nước bão hòa (hơi đốt cho nồi đầu) (at)

Áp suất trong thiết bị ngưng tụ (at)

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt: H = 3m

1 Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống

W= Gd(1 −xd

xc) [4-55]  W = 11520 x (1 - 5

22) = 8901,81 (kg/h)

2 Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi hơi

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: W1, [kg/h] - Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: W2, [kg/h]

- Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là: W1:W2 = 1:1,04

Ta có hệ: {W1,04W1− W2 = 0

1+ W2 = 8901,81 => {

W1 = 4363,64[kg/h]W2 = 4538,18 [kg/h]

3 Nồng độ dung dịch trong mỗi nồi:

Theo công thức: xi = Gdxd

Gd−∑ij=1Wj, %[4.57]• Với nồi 1:

 Ta được x2 = xc : phù hợp với số liệu ban đầu

4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống: ∆p

Theo công thức: ∆p = p1 - png

 ∆p =5 – 0.2 = 4,8 [at]

5 Chênh lệch áp suất nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi

Gọi ∆pi là chênh lệch áp suất trong nồi thứ i [at]

Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là: ∆p1 : ∆p2 = 2,32:1 Ta có hệ: {∆p1 − 2,32∆p2 = 0

∆p1+ ∆p2 = 4,8 => {

∆p1 = 3,35 [at]∆p2 = 1,45 [at]Tính áp suất hơi đốt từng nồi suy ra nhiệt độ hơi đốt: Theo công thức: pi = pi-1 -∆pi-1

Ta có:

• Nồi 1: p1 = 5 [at]

• Nồi 2: p2 = p1 - ∆p1 =5 – 3,35 = 1,65 [at] Tra bảng I.251 [1-315] kết hợp nội suy ta có:

• Nồi 1: với p1 = 5 at ta được: − Nhiệt độ hơi đốt: T1 = 151,1°C

− Nhiệt lượng riêng: i1 = 2754000 (J/kg) − Nhiệt hóa hơi: r1 = 2117000 (J/kg)

• Nồi 1: với p2 = 1,65 [at] ta được − Nhiệt độ hơi đốt: T2 = 113,6°C

− Nhiệt lượng riêng: i2 = 2704500 (J/kg) − Nhiệt hóa hơi: r2 = 2224500 (J/kg)

• Với png = 0,2 (at) ta có Tng = 59,7 °C

6 Tính nhiệt độ ( t’i ) và áp suất hơi thứ ( p’i ) ra khỏi từng nồi

Ta có: ti’ = tt+1 + Δi’’’ [ °C] Trong đó:

- Δi’’’: Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống - ti’: Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i, °C Ta chọn Δi’’’ = 1 °C

Theo công thức ta có:

+ Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là t1’ = T2 + Δ1’’’ = 113,6 + 1 = 114,6°C + Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là t2’ = Tng + Δ2’’’ = 59,7 + 1 = 60,7 °C Tương ứng với nhiệt độ tính được xác định hơi thứ mỗi nồi

Tra bảng I.250 Tính chất hóa lí của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ - Sổ tay hóa công Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 [3-314], [3-315] kết hợp nội suy ta có:

• Nồi 1: với t1’ = 114,6 °C ta được: − Áp suất hơi thứ: p1ꞌ = 1,71 [at]

− Nhiệt lượng riêng: i1ꞌ = 2706170 [J/kg] − Nhiệt hóa hơi: r1ꞌ = 2221720 [J/kg] • Nồi 2: với t2ꞌ=60,7 oC ta được

− Áp suất hơi thứ: p2’ = 0,21 [at]

− Nhiệt lượng riêng: i2’ = 2609600 [J/kg] − Nhiệt hóa hơi: r2’ = 2355260 [J/kg]

Bảng tổng hợp số liệu 1:

7 Tính tổn thất nhiệt độ trong từng nồi

7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆i”

− 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 thoáng dung dịch Chọn h1 = 0,5m

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

− ρdds: Khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ t , [kg/m3];𝜌𝑑𝑑𝑠=ρsi

− g: Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2

• Nồi 1: p1’ = 1,71 (at)

Tra bảng I.57 [3-45] Khối lượng riêng của dung dịch NaCl – nước ở các nhiệt độ khác nhau và nội suy với t = 114,6 °C và x1 = 8,05% có ρs1 = 1054,12 kg/m3 ( ở 25 độ C )

2 = 527,25 𝑘𝑔/𝑚3 𝑝𝑡𝑏𝑖 = 1,71 + [(0,5 +3

- Δ0i’: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở nồng độ nhất định và áp suất khí quyển

- r: Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, [ J/kg] - tsi: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, [ °K]

• Nồi 1:

𝑡𝑠1= (ttb1+ 273) = 116,32 + 273 = 389,32[K]

Tra bảng VI.2 [4-61] và nội suy với nồng độ dung dịch NaCl là x1= 8,05% ta được Δ01’ = 1,49 °C

8 Tính hệ số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

∑2𝑖=1∆𝑇𝑖 =T1 -Tng -∑2𝑖=1∆ = 151,1 - 59,7 – 19,93 = 71,47 [oC]

8.2 Nhiệt độ sôi trong mỗi nồi

tsi = ti’ + ∆𝑖′ +∆𝑖′′

⇒ ts1 = t1’ + ∆1′ +∆1′′ = 114,6 + 1,72 + 1,65 = 117,9 oC ⇒ ts2 = t2’ + ∆2′ +∆2′′ = 60,7 + 4,55 + 10,01 = 75,26oC

8.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi

Ta có: ∆Ti = Ti – tsi

=> ∆T1 = 151,1 – 117,97 = 33,13 [oC] => ∆T2 = 113,6 – 75,26 = 38,34 [oC]

ts0, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1,2 (oC) 𝜃1, 𝜃2 : Nhiệt độ nước ngưng nồi 1,2 (oC)

Qm1, Qm2 : Nhiệt độ mất mát ở nồi 1,2 (bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn để bốc hơi ở từng nồi) (J/h)

W1, W2 : Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1,2.(kg/h)

9.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch NaCl:

Theo công thức I.43 Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 152:

Đối với dung dịch loãng (nồng độ chất hòa tan không quá 20%): C=4186.(1-x), [J/kg.độ] (9-1)

Trong đó: x: Nồng độ chất hòa tan (phần khối lượng) + Dung dịch ban đầu có xđ = 5% nên ta có:

C0 = 4186.(1-xđ) = 4186.(1-0,05) = 3976,7 [J/Kg.độ] + Dung dịch ra khỏi nồi có x1 = 8,05% nên ta có:

M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + … + nn.cn

Trong 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 NaCl có MNaCl = 58,5, n1 = 1, n2 = 1

Tra bảng I.141[3-152] Nhiệt dung riêng nguyên tử các nguyên tố [J/Kg nguyên tử.độ] Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất

Na: c1 = 26000 (J/Kg nguyên tử.độ) Cl: c2 =26000 (J/Kg nguyên tử.độ) Cht = 1.26000+1.26000

58,5 = 888,9 (J/Kg.độ) +Dung dịch ra khỏi nồi 2 có x2 = 22% nên ta có:

C2 = Cht.x2 + 4186.(1 - x2) = 888,9 x 0,2 + 4186 x (1-0,22) = 3460,64 (J/Kg.độ)

9.2 Các thông số của nước ngưng:

• Nhiệt độ nước ngưng đi ra khỏi thiết bị bằng nhiệt độ hơi đốt đi vào: 𝜃1 = T1 = 151,1 (°C)

𝜃2 = T2 = 113,6 (°C) Tra bảng I.249 [3-310] và nội suy với

𝜃1 = T1 = 151,1 °C => Cnc1 = 4315,74 (J/Kg.độ) 𝜃2 = T2 = 113,6°C => Cnc2 = 4239,12 (J/Kg.độ)

9.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Lượng nhiệt mang vào:

′ − 𝐶1𝑡𝑠1)0,95(𝑖1− 𝐶𝑛𝑐1𝜃1)

𝑊2 = 𝑊 − 𝑊1 Thay số và giải hệ ta được:

=> {

1 3849,03 4315,74 151,1 4363,64 4377,44 0,32 2 3460,64 4239,12 113,6 4538,18 4538,18 0,3

10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:

10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi

Chọn ống truyền nhiệt có đường kính: 38×2 [mm]

Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt: Nồi 1 là : ∆t11 = 3,64 [oC]

Nhiệt độ màng tính theo công thức: tmi = Ti - ∆𝑡1𝑖

2 [oC] => tm1 = T1 - ∆𝑡11

2 = 151,1 - 3,64

2 = 149,28 [oC] => tm2 = T2 - ∆𝑡12

2 = 113,6 – 4,12

2 = 111,54 [oC] Tra bảng A-t [4-28] và nội suy ta có:

Với tm1 = 149,28 oC => A1 = 195,39 Với tm2 = 111,54oC => A2 = 189,73

Thay số ta có: α11 = 2,04.A1.( 𝑟

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 Δt1i [3-278]

 q11 = α11 Δt11 = 8363,87 × 3,64= 30444,5 [W/m2]  q12 = α12 Δt12 = 7972,04 × 4,12 = 32844,8 [W/m2] Bảng tổng hợp số liệu 4:

Nồi ∆t1i [oC] tm [oC] A α1i, [W/m2.độ] q1i, [W/m2]

1 3,64 149,28 195,39 8363,87 30444,5 2 4,12 111,54 189,73 7972,04 32844,8

10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α2i từ bề mặt đốt 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: α2i = 45,3.(pi’)0,5.Δt2i2,33.ψi [W/m2.độ]

Trong đó:

− pi : Áp suất hơi thứ ở nồi thứ i

− Δt2i : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch (°C) • Δt2i = tT2i – tddi = ΔTi - Δt1i - ΔtTi (°C)

− ΔtTi : Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt • Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống truyền nhiệt: Theo công thức (V-3), tài liệu [4-3]:

Δt2i = q1i.Σr

− Σr: Tổng nhiệt trở thành ống truyền nhiệt, được tính theo công thức (V-3), tài liệu [4-3]:

∑𝑟 = 0,387.10−3 + 0,232.10−3 +2.10−3

16,7 = 0,73876.10−3 [m2.độ/W]  ΔtT1 = q11.Σr = 30444,5 0,73876.10−3 = 22,49 (°C)

 ΔtT2 = q12.Σr = 32844,82 0,73876.10−3= 24,26(°C)

Từ đó ta có: Δt21= ΔT1 – Δt11 – ΔtT1 = 33,13 – 3,64 – 22,49 = 7,00 (°C) Δt22 = ΔT2 – Δt12 – ΔtT2 = 38,34 – 4,12 – 24,26 = 9,96 (°C) • Hệ số hiệu chỉnh tính theo công thức:

- λ: Hệ số dẫn nhiệt [W/m2.độ] - ρ: Khối lượng riêng [kg/m3] - μ: Độ nhớt [N.s/m2]

- C: Nhiệt dung riêng [J/Kg.độ]

- λ, ρ, μ, C tra theo nhiệt độ của dung dịch • Các thông số của nước

+ Tra bảng I.130 [3-133] và nội suy ta có: Nồi 1: ts1 = 117,93°C =>𝝀nc1 = 0,69[W/m.độ] Nồi 1: ts2 = 75°C =>𝝀nc2 = 0,671 [W/m.độ] + Tra bảng I.5 [3-11] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1 = 117,97°C => ρnc1 = 944,943 [kg/m3] Nồi 1: ts2 = 75°C => ρnc2 = 974,73 [kg/m3] + Tra bảng I.249 [3-310] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1 =117,97°C => Cnc1 = 4244,03[J/kg.độ] Nồi 1: ts2 = 75°C => Cnc2 = 4195,51[J/kg.độ] + Tra bảng I.104 và I.102 [3-96] và nội suy ta có: Nồi 1: ts1 =117,97°C => μnc1 = 0,2368 10−3 [Ns/m2] Nồi 1: ts2 = 75°C => μnc2 = 0,3799 10−3 [Ns/m2]

• Các thông số của dung dịch:

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaOH tính theo công thức : 𝜆dd = 𝐴 𝐶dd 𝜌dd√𝜌dd

M = MNaCl.NNaCl + MH2O.NH2O = 58,5 × NNaCl + 18 × (1-NNaCl) N NaCl: phần mol của NaCl trong dung dịch

Ta có:

Với nồi 1: NNaCl (1) =

=

=

= 0,0799 Thay vào công thức ta có:

Nồi 1: M1 = 58,5 × 0,0261 + 18 × (1 - 0,0261) = 19,057 (kg/mol) Nồi 2: M2 = 58,5 × 0,0799 + 18 × (1 - 0,0799) = 22,24 (kg/mol)

Như vậy ta có:

𝜆dd1 = 3,58.10−8 𝐶dd1 𝜌dd1√𝜌dd1𝑀1

= 3,58.10−8 3849,03.1002,45 √1002,45 19,057

= 0,52 [W/m.độ]

𝜆dd2 = 3,58.10−8 𝐶dd2 𝜌dd2√𝜌dd2𝑀2

= 3,58.10−8 3460,64 1133,78√1133,78 22,24

Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước

Chọn đo độ nhớt của dung dịch NaCl ở 20°C và 40°C + Nồi 1:

Tra bảng I.107 [3-100], độ nhớt của một số dung dịch hợp chất vô cơ kết hợp nội suy ta có:

Với x1 = 8,05%, t = 20°C => μ11 = 1,1432.10−3 [N.s/m2] Với x1 = 8,05%, t = 40°C => μ21 = 0,753 10−3 [N.s/m2] Tra bảng I.102 [3-92] kết hợp nội suy ta có:

Với μ11 = 1,1432 10−3 [N.s/m2] => θ11 = 15°C Với μ21 = 0,753 10−3 [N.s/m2] => θ21 = 33,15°C Theo công thức Pavalov: 𝑡1−𝑡2

𝜃11−𝜃21 = 𝑡𝑠1−𝑡2𝜃31−𝜃21

Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước

Chọn đo độ nhớt của dung dịch NaCl ở 20°C và 40°C Tra bảng I.107 [3-100] và nội suy ta có:

Với x2 = 22%, t = 20°C => μ11 = 1,68.10−3 [N.s/m2] Với x2 = 22%, t = 40°C => μ21 = 1,086.10−3 [N.s/m2] Tra bảng I.102 [3-92] và nội suy ta có:

Với μ12 = 1,68.10−3 [N.s/m2] => θ12 = 1,88°C Với μ22 = 1,086.10−3 [N.s/m2] => θ22 = 16,75°C

Theo công thức Pavalov: 𝑡1−𝑡2

𝜃12−𝜃22 = 𝑡2−𝑡𝑠2𝜃32−𝜃32

[(1002,45 944,97 )

(3849,034244,03) (

0,237 10−30,28 10−3 )]

= 0,81 < 1

𝜓2 = (0,53 0,671)

(3460,644195,51) (

0,38 10−30,62 10−3)]

= 0,74 < 1 Thay vào công thức ta có:

𝛼2𝑖 = 45,3 (𝑝𝑖′)0,5 𝛥2𝑖2,33 𝜓𝑖

− 𝛼21 = 45,3 (𝑝1′)0,5 𝛥𝑡212,33 𝜓1 = 45,3 1,710,5 72,33 0,81 = 4445,86[W/m2.độ]

− 𝛼22 = 45,3 (𝑝2′)0,5 𝛥𝑡222,33 𝜓2 = 45,3.0, 210,5 9,962,33 0,74 = 3253,75[W/m2.độ]

Bảng tổng hợp số liệu 5: Nồi ρdd

W/m.độ λnc

10.4 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch:

• Theo công thức: q2i = α2i Δt2i [W/m2] Thay số vào có:

q21 = α21 Δt21 = 4710,7 8,18= 38533,5 [W/m2] q22 = α22 Δt22 =3339,2 10,73= 35829,6 [W/m2]

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 truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

+Nồi 1: 𝑄1 = 𝐷.𝑟1

3600 = 2879819,79 [W] +Nồi 2: 𝑄2 = 𝑊1.𝑟2

= 3097,81 + 3188,38 = 6286,16 ∑2𝑗=1𝛥𝑇𝑗 = 𝛥𝑇1+ 𝛥𝑇2 = 33,13 + 38,34 = 69,47 (°C) +Nồi 1: 𝛥𝑇1∗ = 69,47 3097,81

IV Tính toán thiết bị phụ

1 Tính thiết bị ngưng tụ baromet

Hơi thứ sau khi đi ra khỏi nồi cô đặc cuối cùng được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet để thu hồi lượng nước trong hơi, đồng thời tách khí không ngưng dung dịch mang vào hoặc do khe hở của thiết bị Hơi vào thiết bị ngưng tụ đi từ dưới lên, nước lạnh, nước ngưng tụ chảy xuống ống baromet

Hệ thống thiết bị:

Chọn thiết bị ngưng tụ baromet - thiết bị ngưng tụ trực

tiếp loại khô ngược chiều chân cao

trực tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị hoặc không tan trong nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nước làm nguội

Sơ đồ nguyên lí làm việc của thiết bị ngưng tụ baromet ngược chiều loại khô được mô tả như hình vẽ Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống baromet (3) để tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài Hơi vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy tử trên xuống, chảy tràn qua cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí không ngưng đi lên sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống baromet Khí không ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chân không

Ống baromet thường cao H > 11 m [QTTBT3 – T106] để khi độ chân không trong thiết bị có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị

Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra mà không cần bơm nên tốn ít năng lượng, năng suất lớn

Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ baromet chân cao ngược chiều loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị trí cuối hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không

- Lượng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2 = 4524,37 (kg/h) - Áp suất ở thiết bị ngưng tụ là: Png = 0,2 (at)

ℎ ) Trong đó:

− i: Nhiệt lượng riêng của hơi nước ngưng ing = 2609,1 (kJ/kg) tra bảng I.252 [3-314] với pn = 0,2 (at)

− tđ, tc : Nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh Chọn tđ = 25°C ; tc = 50°C

− Cn : Nhiệt dung riêng trung bình của nước, chọn ở nhiệt độ : 𝑡𝑡𝑏 = 𝑡𝑑−𝑡𝐶

2 + 50 = 450 (mm)

Trên tấm ngăn có nhiều lỗ nhỏ, đường kính lỗ là 2mm (nước làm nguội là nước sạch), chiều dày tấm ngăn là 4mm Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn là 40 mm

1.4 Tính tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ

Theo công thức: 𝑓 = 𝐺𝑛.10−3

3600.𝑤𝑐 (𝑚2) [VI.54] Trong đó:

− 𝐺𝑛: lưu lượng nước (𝑚3/𝑠)

− wc: tốc độ của tia nước, lấy wc = 0,62 m/s khi chiều cao của gờ tấm ngăn là 40 mm

f : Tỷ số giữa tổng diện tích thiết diện các lỗ với diện tích thiết diện của thiết bị ngưng tụ Chọn tb

f = 0,05

 t = 0,866.5 (0,05)1/2+ 5 = 5,97 (𝑚𝑚)

1.6 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ:

Mức độ đun nóng thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức sau:

Số bậc

Số ngăn

Khoảng cách giữa các ngăn

Đường kính của tia nước

(mm)

Ta có chiều cao của thiết bị ngưng tụ: H = 6.300= 1800 (mm)

Thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đó khoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên trên khoảng 50mm cho mỗi ngăn Khi đó chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ là H’ Khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 300 mm, ta chọn khoảng cách giữa hai ngăn dưới cùng là 450 mm

− h1 : là chiều cao cột nước cân bằng với hiệu số áp suất của thiết bị ngưng tụ và khí quyển, tính theo công thức h1 = 10,33.𝑝𝑐𝑘

760 (m) với pck là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ

 pck = 760 – 735,6.png = 760 – 735,6.0,2 = 612,88 (mmHg)

Ngoài ra cần có chiều cao dự trữ 0,5m để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường dẫn hơi khí áp suất khí quyển tăng, sau quy chuẩn thì ta chọn =10 m

1.9 Tính lượng hơi và khí không ngưng:

Lượng không khí cần hút là:

Gkk = 0,000025.W2 + 0,000025Gn + 0,01W2 [2-47]

− Gn : lượng nước làm lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ, kg/s

Gkk =0,000025.(4524,37 + 129959,23) + 0,01.4524,37 = 48,61 [kg/h] Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ là:

2 Tính bơm chân không

Công suất của bơm tính theo công thức: Nb = 𝐿

− 1], [KW] [1-465] Trong đó:

− m: là chỉ số đa biến phụ thuộc vào điều kiện làm lạnh, chọn m = 1,5 − pk = png -ph = (0,2-0,0475).9,81.104= 14960,25 (N/m2)

− p1 = png = 0,2.9,81.104 = 19620 (N/m2) − p2 : áp suất khí quyển, p2 = 98100 (N.m2) − ղ: hiệu suất , chọn ղ = 0,7

Thay vào ta có: Nb = 1,5

− 1] = 3,64 [ KW ] Tra bảng II.58 [1-513] chọn bơm PMK-1