Đồ Án môn học thiết kế hệ thống thiết bị cô Đặc hai nồi xuôi chiều loại buồng Đốt ngoài dùng Để cô Đặc dung dịch nacl

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU LOẠI BUỒN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU LOẠI BUỒNG ĐỐT NGOÀI

DÙNG ĐỂ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NACL

Người thiết kế : Cung Thanh Sơn Lớp, khóa : KTHH.04– K62 Người hướng dẫn : TS Cao Thị Mai Duyên

HÀ NỘI 2022

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ

Tính toán và thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục

Loại thiết bị: Buồng đốt ngoài

Dung dịch cần cô đặc: Dung dịch NaCl

II Các số liệu ban đầu:

Năng suất: 3 kg/s

Chiều cao ống gia nhiệt: 5 m

Nồng độ đầu của dung dịch: 7 % khối lượng;

Nồng độ cuối của dung dịch: 22 % khối lượng;

Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at;

Áp suất hơi ngưng tụ: 0,25 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

IV Các bản vẽ

- Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4;

- Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1

Cán bộ hướng dẫn: TS Cao Thị Mai Duyên

Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 10 tháng 10 năm 2021

Ngày phải hoàn thành: Ngày 27 tháng 1 năm 2022

Người hướng dẫn

I MỞ ĐẦU

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học nhằm giúp sinh viên biết vận dụng các kiến thức của môn học Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học và các môn học khác có liên quan 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 hạn trong các quá trình công nghệ

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản xuất, sinh viên 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 cận tốt với thực tiễn sau khi hoàn thành môn học Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học

Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại buồng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 10800 kg/h từ nồng

độ đầu 7% đến nồng độ cuối 22%

Quá trình 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, làm tăng nồng độ của chất tan (không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi [[1]-134] Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp này cũng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ ở mỗi nhiệt độ [[1]-134] Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hới thứ ở nhiệt độ cao có thể đun nóng 1 thiết

bị khác

Cô đặc nhiều nồi: Cô đặc nhiêu nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó

có ý nghĩa về sử dụng nhiệt hiệu quả Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này được làm hơi đốt cho nồi thứ

2, hơi thứ của nồi thứ 2 được làm hơi đốt cho nồi thứ 3,… Hơi thứ ở nồi cuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ [[1]-147] 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 này được sử dụng khá phổ biến Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước

ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi

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 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi [[1]-148] Nhiệt độ hơi thứ nồi 1 lớn 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 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

Giới thiệu về chất cần cô đặc NaCl:

Tính chất hóa lý:

Natri clorua (NaCl), là hợp chất hóa học của Natri và Clo Hợp chất này tan nhiều trong nước Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn Chất này còn được gọi là muối ăn, 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 sản phẩm muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị hoặc chất bảo quản thực phẩm Natri clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc lập phương

Khối lượng mol: 58,4417 g/mol

NaCl là 1 hợp chất có tính điện ly mạnh Trong môi trường nước, NaCl tồn tại ở dạng Na+

và Cl- và nhờ vậy có thể trao đổi ion với môi trường hoặc với các chất khác, ví dụ như ion

Na+ bị hấp phụ lên trên bề mặt hạt sét,…

Một vài ứng dụng của NaCl trong thực tế hiện nay:

- Sử dụng trong sinh học: Nhiều loại vi sinh vật không thể sống trong môi trường

có độ mặn cao vì nước sẽ bị thẩm thấu ra khỏi các tế bào của chúng, vì vậy muối có thể dùng để bảo quản một số thực phẩm, và cũng có thể dùng để khử trùng các vết thương

- Làm tan băng, tuyết: Do muối và nước tạo thành một hỗn hợp eutecti có điểm đóng băng thấp hơn khoảng 10oC so với nước nguyên chất nên khi rải muối vào khu vực

có tuyết sẽ giúp làm tan băng tuyết Tuy nhiên phương pháp này chỉ có tác dụng khi nhiệt

độ môi trường không nhỏ hơn âm 10oC, và nó cũng làm ảnh hưởng tới môi trường

- Phụ gia thực phẩm: Muối ăn có thể được sử dụng làm gia vị, tuy nhiên trong các sản phẩm muối ăn hiện nay, NaCl không chiếm 100% vì nó có thể gấy vón cục muối, hoặc gây bệnh bướu cổ nếu người sử dụng dùng quá nhiều

II SƠ ĐỒ VÀ MÔ TẢ DÂY CHUYỀN

8 Thiết bị trao đổi nhiệt

9, 10 Cốc tháo nước ngưng

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị

Hệ thống thiết bị cô đặc trên làm việc liên tục

Dung dịch đầu (NaCl) ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao vị số (13), sau

đó chảy vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (12) Ở thiết bị này dung dịch được đun nóng

sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào buồng đốt (14) Vì khi dung dịch đi vào buồng đốt đầu

có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần tiêu tốn một lượng hơi đốt để đun nóng sơ bộ dung dịch Ở buồng đốt, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Nước ngưng được đưa ra khỏi buồng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung dịch sôi, dung môi bốc lên và đi sang buồng bốc (14) gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi buồng bốc được đưa qua bộ phận thu hồi bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bị cuốn theo hơi thứ qua ống dẫn bọt Hơi thứ ra khỏi nồi đầu tiên sẽ được làm hơi đốt cho buồng đốt thứ 2 (15) Dung dịch từ nồi đầu tiên tự di chuyển sang nồi thứ

2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn nhiệt độ của nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2

có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm lạnh, lương nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quá trình tự bốc hơi

Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được đưa ra khỏi nồi và cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (8) để làm mát sau đó được bơm về thùng chứa sản phẩm Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt (8) để giảm thiểu việc hư hỏng và giảm tuổi thọ của bơm Hơi thứ bốc ra khỏi buồng bốc thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (18) Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh

từ trên đi xuống hơi cần ngưng tụ từ dưới đi lên, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (19) rồi vào bơm hút chân không (7)

III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Các số liệu đầu

o Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ = 10800 [kg/h]

o Nồng độ đầu của dung dịch NaCl xđ = 7%

o Nồng độ cuối của dung dịch NaCl xc = 22%

o Áp suất hơi đốt p1 = 5 [at]

o Áp suất hơi ngưng tụ p2 = 0,25 [at]

o Chiều cao ống truyền nhiệt H = 5 m

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

Ta có: W = Gđ (1 − 𝑥đ

𝑥𝑐) [4-55]

=> 𝑊 = 10800 × (1 − 7

22) = 7363,636 [kg/h]

3.2 Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

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

o 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 = 1:1,03

3.4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP

Theo công thức:

ΔP = 𝑝1− 𝑝𝑛𝑔 = 5 − 0,25 = 4,75 [𝑎𝑡]

Trong đó: ΔP 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, at

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

Gọi Δpi : chênh lệch áp suất trong nồi thứ i [at]

Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là: Δp1 : Δp2 = 2,2 : 1

Ta có { 𝛥𝑝1− 2,2𝛥𝑝2 = 0

𝛥𝑝1+ 𝛥𝑝2 = 𝛥𝑝 = 4,75

 {𝛥𝑝1 = 3,27(𝑎𝑡)

𝛥𝑝2 = 1,48(𝑎𝑡)

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

Áp suất hơi từng nồi: pi = pi-1 – Δpi-1 [at]

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

- Nhiệt lượng riêng: i1 = 2754 (kJ/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r1 = 2117 (kJ/kg)

Nồi 2: với p2 = 1,73 at ta được: - Nhiệt độ hơi đốt: T2 = 115,04 °C

- Nhiệt lượng riêng: i2 = 2706,9 (kJ/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r2 = 2220,5 (kJ/kg)

+ Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là t1’ = t2 + Δ1’’’ = 115,04 + 1,2 = 116,24 °C

+ Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là t2’ = tng + Δ2’’’ = 64,2 + 1,2 = 65,4 °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’ = 116,24 °C ta được: - Áp suất hơi thứ : p1’ = 1,7967 (at)

- Nhiệt lượng riêng: i1’ = 2708,9 (kJ/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r1’ = 2217,167 (kJ/kg) + Nồi 2: với t2’ = 65,4 °C ta được: - Áp suất hơi thứ: p2’ = 0,2633 (at)

- Nhiệt lượng riêng: i2’ = 2615,233 (kJ/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r2’ = 2344,067 (kJ/kg) Lập bảng tổng hợp số liệu 1:

p, at T, °C i,

kJ/kg

r, kJ/kg

p’, at t’, °C i’, kJ/kg r’, kJ/kg

1 5 151,1 2754 2117 1,7967 116,24 2708,9 2217,167 10,54

2 1,73 115,04 2706,9 2220,5 0,2633 65,4 2615,233 2344,067 22

3.6 Tính tổn thất nhiệt độ trong từng nồi

3.6.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao Δ 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 = 5m

- ρdd: Khối lượng riêng của dung dịch ở 20oC, [kg/m3]

- ri’: 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, [ °K]

=> ts2 = t2’ + Δ2’ + Δ2’’ = 65,4 + 4,76 + 12,2= 82,36 [°C]

3.6.3 Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống

∑2𝑖=1𝛥 = ∑2𝑖=1𝛥𝑖′ +∑2𝑖=1𝛥𝑖′′ + ∑2𝑖=1𝛥𝑖′′′ = (2,28 + 4,76) + (2,7 + 12,2) +

(1,2 + 1,2) = 24,34 [ °C]

3.7 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

D : Lượng hơi đốt nồi 1

C0, C1, C2 : Nhiệt dung riêng của dung dịch cho vào nồi 1, 2 và ra khỏi nồi 2

i1, i2 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt đi vào nồi 1,2

i1’, i2’ : Nhiệt lượng riêng của hơi thứ đi ra khỏi nồi 1,2

Cng : Nhiệt dung riêng của nước ngưng

ts0, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1,2

𝜃1, 𝜃2 : Nhiệt độ nước ngưng nồi 1,2

Qm1, Qm2 : Nhiệt độ mất mát ở nồi 1,2 Lấy Qm = 0,05Q

W1, W2 : Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1,2

3.8.1 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 = 7% nên ta có:

Cht: Nhiệt dung riêng chất hòa tan khan không có nước [J/Kg.độ]

Theo công thức I.41[3-152] Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 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

3.8.2 Các thông số của nước ngưng:

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

Giải hệ phương trình này ta được:

𝑊2 = 𝑊 − 𝑊1

Thay số vào phương trình ta có:

Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi giữa các nồi trong hệ: W1 : W2 = 1 : 1,05

Kiểm tra sai số:

Lập bảng số liệu 3:

[J/kg.độ]

Cnc, [J/kg.độ]

𝜃, [ ̊C] W, [kg/h] Sai số, %

Giả thiết Tính

1 3744,79 4315,08 151,1 3627,407 3591,77 0.99

2 3460,638 4241,568 115,04 3736,229 3771,866 0,94

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

3.9.1 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: Δt11 = 3,56 [ °C]

Nồi 1 là: Δt12 = 3,82 [°C]

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

𝛼1 = 2,04 𝐴𝑖 ( 𝑟𝑖

𝛥𝑡 1𝑖 𝐻)0,25 [W/m2.độ]

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

Nhiệt độ màng tính theo công thức: 𝑡𝑚𝑖 = 𝑇𝑖 −𝛥𝑡1𝑖

3.9.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

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

3.9.3 Tính hệ số cấp nhiệt α 2i 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), ta có:

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]:

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

Tham khảo bảng V.1, tài liệu [4-4]:

Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa: r1 = 0,232.10-3 m2.độ

Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch: r2 = 0,387.10-3 m2.độ

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 X18H10T : λ =16,3 [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+ 0,232.10−3+2.10−3

16,3 = 0,7417.10−3 [m2.độ/W]

- 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.129 [3-133] và nội suy ta có:

Nồi 2: ts2 = 82,36 °C => μnc2 = 0,000346 [Ns/m2]

Các thông số của dung dịch:

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

(1−𝑥1) 𝑀𝐻2𝑂

=

0,1054 58,5 0,1054 58,5 +(1−0,1054)18 = 0,035

Nồi 2: 𝑁𝑁𝑎𝐶𝑙 =

𝑥2 𝑀𝑁𝑎𝐶𝑙 𝑥2

(1−𝑥2) 𝑀𝐻2𝑂

=

0,22 58,5 0,22 58,5 +(1−0,22)18 = 0,0799

Thay vào công thức ta có:

θ1, θ2: Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt bằng độ nhớt của dung dịch ở nhiệt

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

∑ 𝑄𝑖 𝐾𝑖

2 𝑖=1

5407,15= 31,8 (°C)

3.12 So sánh Δt i ’ và Δt i

Sai số:

Nồi 1: 𝐹1 = 2372598,347

892,384 30,76= 86,43 (m2) Nồi 2: 𝐹2 = 2215423,69

806,068 31,8= 86,43 (m2) Vậy F1 = F2 = 86,43 m2

IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

4.1 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị đun nóng loại ống chùm, ngược chiều, dùng

hơi nước bão hòa ở 5at Hơi nước đi ngoài ống từ trên xuống, hỗn hợp nguyên liệu đi

trong ống từ dưới lên trên

Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng 25 °C, ra ở nhiệt độ sôi

- F: Lưu lượng hỗn hợp đầu F = 10800 kg/h

- Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu Cp = C0 = 3892,98 J/Kg.độ

- tF: Nhiệt độ cuối của dung dịch khi đi ra khỏi thiết bị gia nhiệt tF = ts0 = 117,62 °C

- tf : Nhiệt độ đầu của dung dịch khi đi vào thiết bị gia nhiệt, lấy bằng nhiệt độ môi

trường tf = 25 °C

Thay số vào ta có nhiệt lượng trao đổi của dung dịch là:

𝑄 =10800

3600 3892,98 (117,62 − 25) = 1081703,423 (W)

4.1.2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích

Tra bảng I.251 Tính chất lý hóa của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [3-315]:

Ở áp suất 5at, nhiệt độ thđ = 151,1 °C

𝛥𝑡𝑡𝑏 =𝛥𝑡𝑑 −𝛥𝑡𝑐

𝑙𝑛 𝛥𝑡𝑑 𝛥𝑡𝑐

=126,1−33,48

𝑙𝑛126,133,48 = 69,84 (°C)

- Hơi đốt : Nhiệt độ trung bình t1tb = thđ = 151,1 °C

- Hỗn hợp: Nhiệt độ trung bình t2tb = t1tb – Δttb = 151,1 – 69,84 = 81,26 °C

4.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ Áp dụng công thức V.101 [4-28]:

𝛼1 = 2,04 𝐴 ( 𝑟1

𝛥𝑡1.𝐻)0,25, [W/m2] Trong đó:

- A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

- r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 5 at r = r1 = 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, chọn H= 5 (m)

Giả thiết: Δt1 = 6,2 °C

tm = 151,1 −6,2

2 = 148 (°C) Tra hệ số A theo tm: trong bảng A-t, tài liệu [4-29] và nội suy:

- Pr: Chuẩn số Pran

- Re: Chuẩn số Reynold, Re = 10000

- εk: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đường kinh

- Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu

- μ: Độ nhớt của hỗn hợp đầu ở t2tb = 81,26 oC

Áp dụng công thức đối với dung dịch loãng (I.43), [3-152]:

Cp = 4186 (1 – x) , (J/kg.độ) Với xđ = 7 % ta được Cp = 4186 (1-0,07) = 3892,98 (J/kg.độ)

Theo công thức Pavalov:

Thay vào bảng I.102 [3-95] và nội suy với θ31 = 70,77 °C ta được μdd = 0,405 10-3

[N.s/m2] Tra bảng I.57 [3-45] và nội suy:

x = 7 %, t = 81,26 °C ta được ρ = 1018,47 (kg/m3)

Nồng độ phần mol NaCl trong dung dịch:

𝑁𝑁𝑎𝐶𝑙 =

𝑥𝑑 𝑀𝑁𝑎𝐶𝑙 𝑥𝑑

(1−𝑥𝑑) 𝑀𝐻2𝑂

=

0,07 58,5 0,07

- CpT : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình của tường tiếp xúc với lưu thể

- λT: Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình của tường tiếp xúc với lưu thể

- μ: Độ nhớt của hỗn hợp đầu ở ở nhiệt độ trung bình của tường tiếp xúc với lưu thể

ΔtT = tT1 – tT2 = q1.Σr

∑𝑟 = 𝑟1+ 𝑟2+𝛿

𝜆 Trong đó: r1, r2: Nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường (bên ngoài căn bản do nước ngưng,

bên ngoài cặn bẩn do dung dịch)

Tham khảo bảng V.1, tài liệu [4-4]:

Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa : r1 = 0,232 10-3 (m2.độ)

Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch: r2 = 0,387 10-3 (m2.độ)

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 X18H10T : λ = 16,3 [W/m2.độ]

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

Với xđ = 7 % và tT2 = 113,88 °C ta được Cp = 3744,79 (J/kg.độ)

Theo công thức Pavalov:

𝑡1−𝑡2

𝜃1−𝜃2= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 [3-85]

θ1, θ2: Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt bằng độ nhớt của dung dịch ở nhiệt

Thay vào bảng I.104 [3-96] và nội suy với θ31 = 100,06 °C ta được μdd = 0,2837 10-3

[N.s/m2] Tra bảng I.57 [3-45] và nội suy:

4.1.7 Tính bề mặt truyền nhiệt

Bề mặt truyền nhiệt tính theo công thức: 𝐹 = 𝑄

𝑞𝑡𝑏 Trong đó

- Q: Nhiệt lượng trao đổi Q = 1081703,423 (W)

- F: Tổng bề mặt truyền nhiệt, quy chuẩn theo [4-80] chọn F = 25 m2

Ta chọn đường kính ngoài của ống truyền là dn = 25 mm với bề dày là 2mm

dtr: Đường kính trong ống truyền nhiệt, dtr = 25 – 2.2 = 21 (mm) = 0,021 (m)

Chiều cao ống truyền nhiệt l = 5 m

Thay số vào ta có: 𝑛 = 25

𝜋.0,021.5= 75,79 (ống) Chọn quy chuẩn n theo bảng V.11 Số ống trong thiết bị ống truyền nhiệt loại ống trùm [4-48], ta được n = 91 ống