Đồ Án môn học tính toán thiết kế hệ thống cô Đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục với dung dịch cacl2

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨMĐỒ ÁN MÔN HỌC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU LÀM VIỆC LIÊN TỤC VỚI DUNG DỊCH CaCl2 Người thiết kế : Nguyễn Mạ

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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU

LÀM VIỆC LIÊN TỤC VỚI DUNG DỊCH CaCl2

Người thiết kế : Nguyễn Mạnh Cường

Người hướng dẫn : TS Nguyễn Thị Thu Huyền

HÀ NỘI 2022

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ

CÔNG NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440

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

Họ và tên: Nguyễn Mạnh Cường

Lớp: Kĩ thuật hóa học

MSSV: 20160562Khóa: 61

I Đầu đề thiết kế

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

- Loại thiết bị: Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

- Dung dịch cần cô đặc: Canxi Clorua –CaCl2

II Các số liệu ban đầu

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

- Nồng độ đầu của dung dịch: 7 %

- Nồng độ cuối của dung dịch: 30 %

- Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at

- Độ chân không: 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

V Cán bộ hướng dẫn:TS Nguyễn Thị Thu Huyền

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 15 tháng 10 năm 2021

VII Ngày phải hoàn thành: ngày 14 tháng 1 năm 2022.

Người hướng dẫn

1, Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W 11

2, Xác định lượng lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi 11

3, Xác định nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi 11

4, Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP. 12

5, Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 12

6, Xác định áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi: 13

7.1, Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:∆𝑖'' 14

9, Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt Divà lượng hơi

10.3, Tính hệ số cấp nhiệt α2từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 22

13, So sánh∆𝑇𝑖 *và ∆𝑇𝑖 tính được theo giả thiết của phân bố áp suất 30

1.1, Số ống trong buồng đốt 32

3.1, Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào và ra thiết bị 48

4.2, Tính khối lượng nước được đổ đầy rong nồi Gnd 57

1.1, Tính lượng nước lạnh Gncần thiết để ngưng tụ 621.2, Tính đường kính trong D của thiết bị ngưng tụ 62

1.4, Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ 63

3, Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 68

LỜI MỞ ĐẦU

Nhiệm vụ của bất kì một kĩ sư hóa học là phải biết thiết kế một thiết bị hay hệthống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, chính vì vậy nên sinh viên Kỹthuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội được nhận đồ án môn học: “ Quátrình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗisinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượngkiến thức của môn học Trên cơ sở kiến thức đó và một số môn khoa học khác có liênquan, 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 họcnày, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúngnhững kiến thức,quy trình trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bảnthiết 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 đặchai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch CaCl2,năng suất 3,5 kg/s, nồng độ dung dich ban đầu 7%, nồng độ sản phẩm 30%

Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệmthực 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 TS.Nguyễn Thị Thu Huyền đã hướng dẫn em hoàn

thành đồ án này!

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.

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 tục với dung dịch CaCl2, năng suất 3,5 kg/s

từ nồng độ đầu 7% đến nồng độ cuối 30%

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 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 đónồng độ của dung chất 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 Hơi của dung môitách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hới thứ ở nhiệt độ cao có thể đun nóng 1thiết 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: nồiđầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được bốc lên để làmhơi 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 Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến nồicuối, 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 dichuyển 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 suấtgiữa hai nồi Nhiệt độ hơi thứ nồi 1 lớn hơn nhiệt độ sôi nồi 2 nên hơi thứ nồi 1 đượclàm 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 dịchtăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.

2, Giới thiệu về CaCl2:

• Tính chất hóa lý:

Calci chloride (CaCl2), là hợp chất ion của Canxi và Clo Chất này tan nhiều trongnước Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn Chất này có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đốivới việc sản xuất sản lượng lớn thì người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của côngnghệ Solvay Do nó có tính hút ẩm cao, người ta phải chứa muối này trong các dụng cụđậy nắp kín

- Khối lượng mol: 110,99 g/mol

• Một vài ứng dụng của CaCl2trong thực tế hiện nay:

Sử dụng tính chất hút ẩm của nó, người ta có thể dùng nó để giữ một lớp chất lỏng trênmặt đường nhằm thu hút hết bụi Nó cũng được sử dụng trong phối trộn bê tông nhằmtăng nhanh quá trình ổn định ban đầu của bê tông

Do đặc tính hút ẩm mạnh của nó, nên không khí hay các loại khí khác có thể cho điqua các ống chứa calci chloride để loại bỏ hơi ẩm Cụ thể, calci chloride thông thườngđược sử dụng để cho vào các ống làm khô để loại bỏ hơi ẩm trong không khí trong khivẫn cho khí đi qua Nó cũng có thể cho vào dung dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộnlẫn hay lơ lửng Quá trình hấp thụ nước là sinh nhiệt và nhanh chóng tạo ra nhiệt độ tớikhoảng 60 °C (140 °F) Vì khả năng này, nó được biết đến như là tác nhân sấy khô haychất hút ẩm

Calci chloride được sử dụng phổ biến như là chất điện giải và có vị cực mặn, được tìmthấy trong các loại đồ uống dành cho những người tập luyện thể thao và các dạng đồuống khác, như smartwater và nước đóng chai của Nestle Nó cũng có thể được sử

lượng cao hơn trong các loại rau dưa muối để tạo ra vị mặn trong khi không làm tănghàm lượng natri của thực phẩm.

Calci chloride phẩm cấp y tế có thể tiêm vào đường ven để điều trị giảm canxi máu(thấp canxi huyết) Nó cũng có thể sử dụng cho: các vết đốt hay châm của côn trùng;các phản ứng mẫn cảm, cụ thể là khi có các đặc trưng như mày đay (phát ban); ngộđộc magie do dùng quá liều sullfat magie; như là chất bổ trợ trong kiểm soát các triệuchứng cấp tính trong ngộ độc chì; hồi tim mạch, cụ thể là sau phẫu thuật tim Calcichloride dùng ngoài đường ruột có thể được sử dụng khi epinephrin thất bại trong việccải thiện sự co cơ tim quá yếu hoặc không hiệu quả Tiêm calci chloride có thể trunghòa độc tính tim mạch trong tăng kali máu khi đo bằng điện tâm đồ

9 Thùng chứa nước ngưng

13 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm

3.2, Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị

Hệ thống thiết bị cô đặc trên làm việc liên tục

Dung dịch đầu (CaCl2) ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao vị số (3), sau

đó chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đunnóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô dặc (10) Vì khi dung dịch đi vào nồi côđặc đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần tiêu tốn một lượnghơi đốt để đun nóng sơ bộ dung dịch Ở thiết bị cô dặc dung dịch tiếp tục được đunnóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyềnnhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Nước ngưng được đưa

ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trongphòng bốc gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phậnthu hồi bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt Hơithứ ra khỏi nồi cô đặc 1 được làm hơi đốt cho nồi cô đặc thứ 2 (11) Dung dịch từ nồi 1

tự di chuyển sang nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suấtnồi 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 dịchđược làm lạnh, lương nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quátrình tự bốc hơi

Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được đưa ra khỏi nồi và cho qua thiết bị trao đổi nhiệt(13) để làm mát sau đó được bơm về thùng chứa sản phẩm Việc sử dụng thiết bị traođổi nhiệt (13) để giảm thiểu việc hư hỏng và giảm tuổi thọ của bơm Hơi thứ bốc rakhỏi nồi thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tự Baromet Trong thiết bị ngưng tụ nướclàm lạnh từ trên đi xuống hơi cần ngưng tụ từ dưới đi lên, ở đây hơi được ngưng tụ lạithành lỏng chảy qua ống Baromet (10) ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bịthu hồi bọt rồi vào bơm hút chân không

PHẦN II, TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆCác số liệu đầu:

Dung dịch cần cô đặc: CaCl2

Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ= 3,5 kg/s = 12600 kg/h

Nồng độ đầu của dung dịch: Xđ= 7 %

Nồng độ cuối của dung dịch: Xc= 30 %

Áp suất hơi đốt: P1= 4 at

Áp suất hơi ngưng tụ: Png= 0,2 at

Chiều cao ống truyền nhiệt: H = 2 m

1, Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W

(1)

𝑊 = 𝐺

đ 1 − 𝑥đ

𝑥 𝑐

( ) ( )𝑘𝑔ℎ

Thay số liệu vào (1), ta có:

𝑊 = 12600 1 −( 207 )= 9660 ( )𝑘𝑔ℎ

2, Xác định lượng lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

Gọi : lượng hơi thứ bốc ra ở nồi thứ 1 là W1(kg/h)

lượng hơi thứ bốc ra ở nồi thứ 2 là W2(kg/h)

Giả sử lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi theo tỉ lệ:

2 𝑊

1

𝑘𝑔 ℎ

( )

3, Xác định nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi

Theo công thức (VI 2) [4-57]

(%) (3)𝑥

2 = 12600 12600−4735,2−4924,75.8 = 30(%)

⇒ Ta thấy x2= xc= 30% đúng theo điều kiện đề bài

4, Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP

- Ta có ΔP = P1- Png (4)

- Trong đó:

+ ΔP: Hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp P1và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ

Png

+ P1: Áp suất trong nồi thứ nhất (at)

+ Png: Áp suất trong thiết bị ngưng tụ (at)

- Thay số liệu vào (4):

ΔP = P1- Png= 4 – 0,2 = 3,8 (at)

5, Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi

- Gọi ΔP1, ΔP2: lần lượt là chênh lệch áp suất trong nồi 1, 2

+ Nhiệt lượng riêng hơi đốt i1= 2744000 J/kg

+ Nhiệt hóa hơi r1= 2141000 J/kg

* Nồi 2:

+ Áp suất P2= 1,27 at

+ Nhiệt độ T2= 104,91oC

+ Nhiệt lượng riêng hơi đốt i2= 2687011,65J/kg

+ Nhiệt hóa hơi r2= 2247052,84J/kg

* Nước ngưng:

+ Áp suất Png= 0,2 (at)

+ Nhiệt độ Tng= 59,7 (oC)

6, Xác định áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:

- Gọi𝑡 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 và 2

- Công thức tính nhiệt độ hơi thứ, suy ra từ (VI 14) [VI 60]

- Dựa vào nhiệt hơi thứ, theo bảng (I.250) [1-314]

* Nồi 1:

+ Áp suất P1’= 1,27 at

+ Nhiệt độ t1’= 105,91oC

+ Nhiệt lượng riêng hơi đốt i1’= 2688440,31 J/kg

+ Nhiệt hóa hơi r1’= 2244336,83J/kg

* Nồi 2:

+ Áp suất P2’= 0,21 (at)

+ Nhiệt độ t2’= 60,7 (oC)

+ Nhiệt lượng riêng hơi đốt i2’= 2608451,19 (J/kg)

+ Nhiệt hóa hơi r2’= 2355580,76 (J/kg)

2247052,8

4 0,21 60,7 2608451,19 2355580,76 30,00

7, Xác định tổn thất nhiệt độ mỗi nồi

7.1, Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:∆

𝑖 ''

- Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc theo công thức (VI 12)

[1 - 60]

Ptbi = P’i+(ℎ (N/m2) (7)

1+ 𝐻2 ) ρ

𝑑𝑑𝑠 𝑔2 Trong đó:

- Po: Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2)

7.2, Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ: ∆

𝑖 '

- Do nhiệt độ sôi của dung môi nhỏ hơn nhiệt độ sôi của dung dịch nên ta tính theocông thức Tysenco (VI.11) [4-59]

môi ở áp suất khí quyển (oC)

- f: Hệ số hiệu chỉnh tính theo công thức

Tra bảng (VI.2) [6-66] Tổn thất nhiệt độ Δ’i theo nồng độ x% của một số dung dịch ở

áp suất thông thường

2

2355311,11 *7.3, Tính tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống

8, Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống.

- Nhiệt độ hữu ích của hệ thống (VI.16) [6-67]

+ Gđ: Lượng dung dịch đầu đưa vào nồi cô đặc (kg/h)

+ D: Lượng hơi đốt ở nồi 1 (kg/h)

+ Co, C1, C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch cho vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2(J/kg.độ)

+ i1, i2: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (J/kg)

+ i1’, i2’: Nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khòi nồi 1 và nồi 2 (J/kg.độ)

+ tso: Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu (oC)

+ ts1, ts2: Nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1 và 2 (oC)

+ θ1, θ2: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (oC)

+ Qm1, Qm2: Nhiệt mất mát ở nồi 1 và nồi 2 (J)

Chọn Qm= 0,05 Qcấp

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

Các thông số của dung dịch:

Nhiệt độ sôi của dung dịch đi vào các nồi:

ts0: Nhiệt độ của dung dịch đi vào nổi 1,℃

ts1: Nhiệt độ của dung dịch ở nổi 1,℃

ts2: Nhiệt độ của dung dịch ở nổi 2,℃

ts1= 109,06 (oC)

ts2= 72,46 (oC)

Nồng độ dung dịch đi vào nồi 1 xo= 11%

Tại t = 101,39℃áp suất của dung môi là P01= 1,07 [at] (Tra bảng I.250 (1-312)

Theo quy tắc tỉ lê trên vẫn giữ nguyên giá trị tại mỗi nhiệt độ của dung dịch

Vậy tại áp suất 1,54 (at ) nhiệt độ sôi của dung dịch là :

- Tính nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2

Gọi C0, C1, C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch đi vào nồi 1, nồi 2 và đi ra khỏi nồi 2,J/kg.độ

Ci: Nhiệt dung riêng của các đơn chất

ni: Số nguyên tử trong phân tử

Tra bảng [[2]-155,156] ta có nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố:

- Thông số nước ngưng:

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

θ1= T1= 142,9 (oC)

θ2= T2= 104,91 (oC)

+ Nhiệt dung riêng của nước ngưng:

Tra bảng (I.249) [1-311] Tính chất hóa lý của hơi nước

Cn1= 4274,98 (J/kg.độ)

Cn2= 4225,04 (J/kg.độ)

+ Dung dịch đầu đun sôi rồi mới cho vào nồi 1:

- Thiết lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng:

+ Nồi 1

1 𝑡

𝑠1 )

(21)𝑊

−𝐶

1 𝑡

𝑠1 ) 0,95 𝑖

Bảng 3

J/kg.độ

C[nc], J/kg.độ

số eps

Giả thiết Tính

10, Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình mỗi nồi

10.1, Tính hệ số cấp nhiệt α1khi ngưng tụ hơi

- Chọn ống truyền nhiệt theo kích thước nhỏ 57 x 3,5 dày 3,5 mm

- Theo giả thiết chiều cao ống truyền nhiệt là H = 2 (m)

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

+ Nồi 1: Δt11= 1,895oC

+ Nồi 2: Δt12= 1,73oC

- Chọn điều kiện làm việc sau:

+ Buồng đốt, hơi nước ngưng bên ngoài ống, màng nước ngưng chảy dòng thì hệ sốcấp nhiệt tính theo công thức [2-28]

(W/m2.độ) (23)α

+ Nhiệt hóa hơi r (J/kg)

+ Pi: Áp suất hơi thứ ở nồi thứ i

Tra bảng (V-1) [2-4] trị số nhiệt trở trung bình của một số chất:

r1=0,00091 m2.độ/W: là nhiệt trở của cặn bẩn CaCl2

r2=0,00023 m2.độ/W là nhiệt trở của chất tải nhiệt (hơi nước bão hòa)

: bề dày ống truyền nhiệt, = 3,5mm

Δt22= ΔT2- Δt12- ΔtT2= 32,44 – 1,73 – 22,44 = 8,27 (oC)

+ Ψi: Hiệu số hiệu chỉnh nồi thứ i

Theo [3-211] thì hiệu số hiệu chỉnh được xác định theo công thức:

(30)Ψ

C: Nhiệt dung riêng (J/kg.độ)

Các thông số trên tra theo nhiệt độ sôi của điều kiện làm việc

● Nồi 1: x = 11,21 %, ts1= 109,06 (oC)

*Thông số của nước

Tra bảng [1-311] Tính chất hóa lý của hơi nước trên đường bão hòa

*Thông số của dung dịch

Tra bảng (1.46)[1-42]) Khối lượng riêng của dung dịch CaCl2- Nước

ρdd1= 1054,07kg/m3

Nhiệt dung riêng của dung dịch (từ bước 9)

Cdd1= 4068,81 J/kg.độ

Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng [1-123]

(W/m.độ) (31)

- Cpi: Nhiệt dung riêng của chất lỏng i (J/kg.độ)

- ρi: Khối lượng riêng của chất lỏng i (kg/m3)

- Mi: Khối lượng mol chất tan i

111 +1−0,112118 * 100% = 2, 01 (%𝑚𝑜𝑙)suy ra M1= 111 * 0,0201 + 18 *(1 – 0,0201) = 19,87 (đvC)

A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết chất lỏng, ở đây A = 3,58.10-8

Thay số lên công thức (31) có

tμ1, tμ2: Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có cùng giá trị độ nhớt

(Sử dụng chất lỏng tiêu chuẩn là nước)

Tra bảng (I-107)[1-101] Độ nhớt của một số dung dịch các hợp chất vô cơ

μ2= 1,326 (cP) thì θμ2= 9,5 (oC)

Tại ts1= 109,06(oC) và x = 11,21 % thay vào (32)

Theo công thức Pavalov: 𝑡1 −𝑡

𝐶𝑑𝑑1 𝐶𝑛𝑐1

µ𝑛𝑐1 µ𝑑𝑑1

0,68

1054,07 951,71

4068,81 4228,07

0,00026 0,000391

= 0,82 <1

● Nồi 2: x = 30%, ts2= 72,46 (oC)

*Thông số của nước

Tra bảng [1-311] Tính chất hóa lý của hơi nước trên đường bão hòa

*Thông số của dung dịch

Tra bảng (1.46)[1-42] Khối lượng riêng của dung dịch CaCl2- Nước

ρdd2= 1235,90 (kg/m3)

Nhiệt dung riêng của dung dịch (từ bước 9)

- Cpi: Nhiệt dung riêng của chất lỏng i (J/kg.độ)

- ρi: Khối lượng riêng của chất lỏng i (kg/m3)

- Mi: Khối lượng mol chất tan i

111 +1−0,318 * 100% = 6, 50 (%𝑚𝑜𝑙)

suy ra M2= 111 *0,065 + 18 *(1 – 0,065) = 24,04 (đvC)

A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết chất lỏng, ở đây A = 3,58.10-8

Thay số lên công thức (31) có

tμ1, tμ2: Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có cùng giá trị độ nhớt

( Sử dụng chất lỏng tiêu chuẩn là nước )

Tra bảng (I-107[1-100] Độ nhớt của một số dung dịch các hợp chất vô cơ

Với x = 20% thì

t1= 30 (oC) có μ1=1,24 (cP)

t2= 20 (oC) có μ2= 1,56 (cP)Tra bảng (1-102)[1-94] :

μ1= 1,24 (cP) thì θμ1= 11,9 (oC)

μ2= 1,56 (cP) thì θμ2= 4,1 (oC)Tại ts2= 74,11 (oC) và x = 20% thay vào (32)

t = 46,31 (oC) 11,9 −4,130−20 = 74,11 −20 𝑡 − 4,1 ⇒

𝐶𝑑𝑑2 𝐶𝑛𝑐2

µ𝑛𝑐2 µ𝑑đ2

0,67

1235,90 976,39

3141.01 4187,02

0.00039 0.00067

= 3209, 93Nồi 2 :

α

22 = 45, 3 * 𝑝

2 '

2 1235,90 976,39 24,04 0,52 0,67 0,6 0,3910.4, Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch.

Tuy nhiên nếu tính theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điềukiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau và nhỏ nhất thì ta sử dụng công thức:

(W/m2.độ) (33)𝐾

𝑖 = 𝐷𝑖 𝑟

𝑖

3600

Trong đó:

Qi: Nhiệt lượng tiêu tốn cho nồi thứ i (W)

Di: Lượng hơi đốt ngưng tụ ở mỗi nồi (kg/h)

ri: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

= = 5244,63 (m2.độ)

𝑄2

𝐾2

2945734,80 561,67

- Tính hệ số hữu ích từng nồi:

Lượng hơi thứ bốc ra khỏi từng nồi Nồi 1 4719,36

Nồi 2 4940,64Nhiệt độ sôi của dung dịch trong mỗi nồi Nồi 1 109,06 ℃

PHẦN III, TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

+ F: Tổng bề mặt diện tích của nồi, F = 158,61 (m2)

+ d: Đường kính ống truyền nhiệt (m)

● Chọn đường kính ngoài ống truyền nhiệt: dn= 57 (mm)

● Bề dày: δ = 3,5 (mm)

● Đường kính trong: dtr= 57 - 2.3,5 = 50 (mm) (vì α1> α2nên dtr= d)

+ l: Chiều dài ống gia nhiệt: l = 2 (m)

Thay số liệu

𝑛 = π*0.05*2158,61 = 505, 141 ố𝑛𝑔( )Quy chuẩn theo bảng V.11 Số ống truyền nhiệt loại ống trùm [2-48], ta được n = 517ống

Chọn cách bố trí ống theo hình lục giác đều

xuyên tâm

của hìnhsáu cạnh

Tổng sốống không

kề các ốngtrong hìnhviên phân

Số ống trong các hìnhviên phân ống trongTổng số

tất cả cáchình viênphân

Tổng

số ốngthiếtbị

Ở dãythứnhất

Ở dãythứhai

Ở dãythứ ba

- Diện tích tiết diện của ống tuần hoàn trung tâm lấy bề mặt của ống tuần hoàn trung

tâm bằng 20% tổng bề mặt tiết diện ống truyền nhiệt:

Fth= 0,20.F = 0,20 1,015 = 0,203 (m2)

𝑑

𝑡ℎ = 4.𝐹𝑡ℎ

π = 4.0,203π = 0, 503 (𝑚)Chọn đường kính ống tuần hoàn theo tiêu chuẩn bảng XIII.7 (2-360) : dth= 530 (mm)

Giá trị bước ống: t = β.dn, chọn β = 1,14

Từ đó suy ra: t = 1,14 0,057 = 0,065 (m) ⇒ Quy chuẩn 65 (mm)

(*) xác định lại số ống truyền nhiệt sau khi lắp ống tuần hoàn trung tâm

Ta có bước ống 𝑡 = β 𝑑

𝑛 = 1, 14 57 = 65 𝑚𝑚( )Khi lắm ống tuần hoàn trung tâm vào cùng trong mạng ống truyền nhiệt, cần phải bỏ

đi một số hình lục giác Vì khoảng cách bước ống t = 50 (mm) nên

𝑛' = 𝑑𝑡ℎ

𝑡 = 53065 = 8Chọn n’ = 9 Vậy cần phải bỏ đi 4 vòng lục giác, tương đương với 61 ống

(*) kiểm tra lại bề mặt truyền nhiệt

Tổng bề mặt truyền nhiệt sau khi lắp ống tuần hoàn trung tâm vào mạng lưới ống

truyền nhiệt được xác định

𝐹' = 𝐹'

𝑡ℎ + 𝐹'

ố𝑛𝑔

Trong đó:

- Fth: bề mặt truyền nhiệt của ống tuần hoàn trung tâm sau khi quy chuẩn

Chọn bề dày ống tuần hoàn trung tâm là 4mm

- 𝐹' : bề mặt truyền nhiệt của các ống truyền nhiệt còn lại sau khi lắp ống tuần

ố𝑛𝑔

hoàn trung tâm

𝐹' = 3, 14 * 530 − 4 * 2( ) * 10−3 * 2 + 3 14 * 506 − 61( ) * 50 * 10−3 * 2 = 146, 462 Như vậy phải bỏ thêm:𝑛''= 158,62−146,462 = 38,7 ống

3.14*3*50*10−3

⇨ Cần lắp thêm n’’ = 39 ống

Vậy số ống truyền nhiệt thực tế là: n = 506 – 61 + 39 = 484 ( ống )

1.2, Đường kính trong buồng đốt

Theo VI.40[2-74] Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, ống truyền nhiệtđược bố trí theo hình lục giác đều Đường kính trong buồng đốt được tính theo côngthức:

t – Bước ống của chùm ống truyền nhiệt trong buồng đốt;

– Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m);

1.3, Tính chiều dày phòng đốt

- Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép bền không gỉ X18H10T

- Bề dày buồng đốt tính theo công thức (XIII8)[2-360]

+ Dtr: Đường kính trong của phòng đốt, Dtr= 1600 (mm)

+ ϕ: Hệ sô bề dày của thân trụ theo phương dọc (mm)

Tra (XIII8)[2-362]Hàn giáp mỗi hàn hai bên với thép cacbon; thép không gỉ và hai

lớp: ϕ = 0,95 (Dtr> 700mm)

C3: Đại lượng bổ xung do dung sai của chiều dày C3phụ thuộc vào chiều dày của tấmvật liệu ( bảng XIII.9 [2-364]).

Với nc, nk: Hệ số an toàn theo giới hạn chảy, giới hạn kéo của thép bền không gỉ

X18H10T Tra bảng XIII.3 [4-346] ta có nc= 1,5 , nb= 2,6 ; η: Hệ số điều chỉnh, trabảng XIII.2 [4-356] theo nhóm thiết bị ta đã chọn ta có η = 0,9

Như vậy ta có:

(N/m2)δ

𝑘

[ ]= 450.10

6

.0,9 2,6 = 155, 77 106

(N/m2)δ

𝑐

[ ]= 240.10

6

.0,9 1,5 = 144 106

Vậy ứng suất cho phép của vật liệu là:

⟹ C = C1+ C2+ C3= 1 + 0 + 0,22 = 1, 22(mm)

⟹𝑆 = 3, 516 10−3 (𝑚)Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [2-364] lấy S = 4 mm

*Kiểm tra ứng xuất bằng công thức (Thử bằng nước):

+ Pthử: áp suất thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2-358] Với thiết bị kiểu hàn, làm việc ởđiều kiện áp suất từ 0,07 đến 0,5.106(N/m2) ta có:

Pthử = 1,5 Pb= 1,5 392000 = 588000 (N/m2)

Thay vào công thức ta được:σ = 1,6+ 4−1,22( ).10 , N/m2

−3[ ] 588000

2 4−1,22 ( ).10−3.0,95 = 178, 4 106

⇒178, 4 106<200 106

Vậy chiều dày phòng đốt là S = 4 (mm)

1.4, Tính chiều dày lưới ống

- Vật liệu chế tạo là thép không rỉ X18H10T

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

1 Giữ chặt ống sau khi nung, bền

2 Chịu ăn mòn tốt

3 Giữ nguyên hình dạng khi khoan, khi nung cũng như sau khi nung ống

4 Bền dưới tác dụng của các loại ứng suất

*Yêu cầu 1: Chiều dày tối thiểu của mạng ống là:

Vậy f ≥ fmin(thỏa mãn)

*Yêu cầu 4: Ta tiến hành kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn

Theo điều kiện: