Thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch NaNO3 chân không ba nồi liên tục ngược chiều

Thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch NaNO3 chân không ba nồi liên tục ngược chiều

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt NamĐại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Trường Đại Học Bách Khoa

Khoa Kỹ Thuật Hoá Học

Bộ Môn : Quá Trình & Thiết Bị

Đồ Án Môn Học QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Họ & Tên SV: CAO MINH TRÍ MSSV: 60602625

Lớp : HC06CHCNgành : Công Nghệ Hoá Hữu Cơ

1 Đầu đề đồ án : Thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch NaNO3 chân không ba nồi liên tục

ngược chiều

2 Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu) :

1 Năng suất : 2000kg/h

2 Nồng độ đầu : 15% khối lượng

3 Nồng độ cuối :45% khối lượng

4 Ap suất chân không : 0,35 atm

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :

1 Tổng quan

2 Thuyết minh quy trình công nghệ

3 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

4 Tính toán và thiết kế thiết bị chính

5 Tính toán thiết bị phụ

6 Tính toán sơ bộ giá thành chi tiết và thiết bị

7 Kết luận

4 Các bản vẽ :

 Bản vẽ chi tiết thiết bị chính : 1 bản A1

 Bản vẽ sơ đồ qui trình công nghệ : 1 bản A1

5 Ngày hoàn thành đồ án : 18/01/ 2010

6 Ngày bảo vệ và chấm đồ án : 25/01/2010

Ngày 18 tháng 01 năm 2010

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

1 Cán bộ hướng dẫn Nhận xét:

Điểm : Chữ ký : 2 Hội đồng bảo vệ Nhận xét:

Điểm tổng kết :

Đồ án Quá trình & Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên khoa Kỹ Thuật Hoá Học nắm vữngkiến thức đã học; tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình & các thiết bịvới số liệu cụ thể Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn

đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc sau này

Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng Do đó ngànhcông nghiệp hóa chất cơ bản cũng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày càngphong phú Trên cơ sở đó, quy trình sản xuất luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoànthiện hơn Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫnđảm bảo năng suất

Để sản xuất NaNO3 dạng rắn hay dạng dung dịch có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều nănglượng cho quá trình cô đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch) Việc tiết kiệm năng lượngcho quá trình này được quan tâm hàng đầu Với mục tiêu đó, đồ án này thực hiện thiết kế hệthống cô đặc dung dịch NaNO3 ba nồi ngược chiều

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Ngũ đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình emthực hiện đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trong bộ môn cũngnhư các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này.Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp nên trong đồ án còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhậnđược nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn

LỜI NÓI ĐẦU

Đầu đề đồ án -1

Lời nói đầu -3

Mục lục -4

Chương I: Tổng quan -6

I.1 Nhiệm vụ của đồ án 6

I.2 Tính chất nguyên liệu 6

I.2.1 Tính chất vật lý của NaNO3 6

I.2.2 Điều chế và ứng dụng của NaNO3 6

I.3 Quá trình cô đặc 6

I.3.1 Định nghĩa 6

I.3.2 Các phương pháp cô đặc 6

I.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 6

I.3.4 Ứng dụng của cô đặc 7

I.4 Thiết bị cô đặc 7

I.4.1 Phân loại và ứng dụng 7

I.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 7

Chương II: Qui trình công nghệ -8

II.1 Cơ sở lựa chọn qui trình công nghệ 8

II.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 9

Chương III: Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng -11

III.1 Dữ kiện ban đầu 11

III.2 Cân bằng vật chất 11

III.2.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi khi nồng độ thay đổi 11

III.2.2 Nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi 11

III.2.3 Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi 12

III.2.4 Xác định tổn thất nhiệt độ 13

III.2.5 Tổn thất nhiệt do nồng độ 13

III.2.6 Tổng thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh 14

III.2.7 Tổn thất nhiệt do đường ống gây ra 15

III.2.8 Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống 15

III.2.9 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống 15

III.3 Cân bằng năng lượng 16

III.3.1 Nhiệt dung riêng 16

III.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 16

Chương IV: Kích thước thiết bị chính -19

IV.1 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt 19

IV.1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp 19

IV.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 19

MỤC LỤC

IV.1.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi 23

IV.2 Tính kích thước buồng đốt và buồng bốc 23

IV.2.1 Buồng đốt 23

IV.2.2 Buồng bốc 25

Chương V: Tính bền cơ khí cho thiết bị -28

V.1 Tính bền cho thân 28

V.1.1 Thân buồng đốt 28

V.1.2 Thân buồng bốc 32

V.2 Tính bền cho đáy và nắp thiết bị 37

V.2.1 Nắp thiết bị 37

V.2.2 Đáy thiết bị 40

V.3 Tính bích, đệm, bulông, vỉ ống và tay treo 44

V.3.1 Tính bích 44

V.3.2 Đệm 45

V.3.3 Bulông ghép bích 45

V.3.4 Vỉ ống 46

V.3.5 Tay treo 47

V.3.6 Khối lượng thiết bị 47

V.3.7 Tải trọng tác dụng lên 1 tay treo 50

V.4 Tính kích thước ống dẫn 51

V.5 Kính quan sát 51

V.6 Tổng kết thiết bị chính 51

Chương VI: Tính thiết bị phụ -53

VI.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet 53

VI.1.1 Lượng nước lạnh cần tưới và thiết bị ngưng tụ 53

VI.1.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút khỏi Baromet 53

VI.1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet 54

VI.2 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 58

VI.2.1 Yêu cầu 58

VI.2.2 Tính lượng hơi đốt cần dùng 58

VI.2.3 Tính hệ số truyền nhiệt 59

VI.2.4 Tính hệ số truyền nhiệt 61

VI.2.5 Tính diện tích truyền nhiệt 61

VI.2.6 Số ống truyền nhiệt 61

VI.2.7 Đường kính thiết bị gia nhiệt 61

VI.2.8 Kích thước của thiết bị gia nhiệt nhập liệu 61

VI.3 Bồn cao vị 62

VI.4 Lớp cách nhiệt 63

VI.5 Bơm 64

VI.5.1 Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ, bơm nhập liệu các nồi, bơm tháo liệu 64

VI.5.2 Bơm chân không 66

Chương VII: Tính sơ bộ giá thành thiết -67

Kết luận -68

Tài liệu tham khảo -69

TỔNG QUAN

I.1 Nhiệm vụ của đồ án:

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3 ba nồi ngược chiều với yêu cầu công nghệnhư sau:

 Năng suất theo sản phẩm: 2 tấn/h

 Nồng độ đầu: 15% khối lượng

 Nồng độ cuối: 45% khối lượng

 Áp suất thiết bị ngưng tụ: 0,35 at

I.2 Tính chất nguyên liệu:

I.2.1 Tính chất vật lý của NaNO3:

Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh.Các phân tử liên kết với nhau bằng lực liên kết ion.Rất dễ tan trong nước và tăng nhanh theo nhiệt độ, cũng rất dễ bị kết tinh Nó khó tan trong cácdung môi hữu cơ như ete

Khối lượng riêng 2.265 g/cm3; ở 30oC (nồng độ 15%) NaNO3 có độ nhớt là 0,94.10-3N.s/

m2; độ hoà tan (g chất khan/100g dd) là 49,0

Khi đun nóng NaNO3 nóng chảy:

2 NaNO3 = 2NaNO2 + O2

Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO3 là chất oxi hóa mạnh nó có thể oxi hóa Mn2+ →

MnO42-, Cr3+ → CrO42- v.v.MnSO4 +

MnSO4 + 2KNO3 + 2NaCO3 = Na2MnO4+ 2KNO2 + Na2SO4 + 2CO2

I.2.2 Điều chế và ứng dụng của NaNO3:

Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa KNO3 và NaCl:

KNO3 + NaCl = NaNO3 + KCl

Hoà tan muối loãng KNO3 và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kết tinh KCl ở nhiệt độ30o Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ dưới 22osẽ kết tinh NaNO3

NaNO3 được dùng để sản xuất axit nitric là một axit rất quan trọng trong công nghiệp, sản xuất phân đạm trong công nghiệp Chế biến thủy tinh, làm thuốc nổ…

I.3 Quá trình cô đặc:

I.3.1 Định nghĩa:

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai hay nhiềucấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất caothường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) Đó là các quátrình vật lý - hóa lý

I.3.2 Các phương pháp cô đặc:

CHƯƠNG I

Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng

của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng

tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chấtcấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độcao hay thấp và đôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh

I.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyểnđộng vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bayhơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cầncung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt vàchuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạonên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

I.3.4 Ứng dụng của cô đặc:

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt được nồng độdung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết tinh

Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây

Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …

I.4 Thiết bị cô đặc:

I.4.1 Phân loại và ứng dụng:

a Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc:

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch kháloãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/stại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt,

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

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biếnchất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép…

b Theo phương pháp thực hiện quá trình:

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng côđặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc làngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chân không.Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làmgiảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hayphối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng caohiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự động hóa

 Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp

I.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:

Thiết bị chính:

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp…

Thiết bị phụ:

 Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.

 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

 Thiết bị gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ Baromet

 Thiết bị đo và điều chỉnh

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

II.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ:

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

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

- Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh

tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:

Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đunnồi thứ hai, hơi thứ của nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… hơi thứ nồi cuối cùng đi vàothiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốchơi một phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi làphải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênhlệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong mỗi nồiphải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường nồi đầu làmviệc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

- Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều được

sử dụng nhiều

 Ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều:

 Ưu điểm: từ nồi đầu đến nồi cuối nồng độ của dung dịch và nhiệt độ đều tăng nên

độ nhớt không tăng mấy, kết quả hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như khônggiảm Khi cô đặc ngược chiều lượng nước bốc hơi vào thiết bị ngưng tụ nhỏ hơnxuôi chiều

 Nhược điểm: hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều là cần phải có bơm để vận chuyển dung dịch

II.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:

II.2.1 Sơ đồ công nghệ:

CHƯƠNG II

II.2.2 Thuyết minh quy trình:

- Dung dịch NaNO3 15%, ở 30oC, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đĩđược cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch NaNO3

đi bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hịa đi bên ngồi ống

- Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cơ đặc thứIII, đây là thiết bị cơ đặc cĩ ống tuần hồn trung tâm, dung dịch đi bên trong ống tuầnhồn trung tâm và ống truyền nhiệt, cịn hơi đốt là hơi bão hịa sẽ đi bên ngồi ống, tạiđây dung dịch được cơ đặc đến nồng độ 19%

CHỨC NĂNG CNBM KÝ TÊN VŨ BÁ MINH

TỈ LỆ : BẢN VẼ SỐ : NGÀY HT : TRU? NG Ð? I H? C BÁCH KHOA THÀNH PH? H? CHÍ MINH KHOA K? THU? T HỐ H? C B? MƠN QUÁ TRÌNH & THI? T B?

SO Ð? QUY TRÌNH CƠNG NGH?

TR? N VAN NGU Ð? ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THI? T B?

THI? T K? H? TH? NG CƠ Ð? C 3 N? I NGU ? C CHI? U DUNG D?CH NaNO V? I N ANG SU? T S? N PH? M 2T/H

P 1

P

2 3 5

7

8 9

10 11

P

7

Xc 1 =45% Xc3=18.63%

4 6

CAO MINH TRÍ 3

6

V? n?i hoi

Hoi d?t Hoi d?t

- Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị cô đặc thứ II, tại đây dung dịch sẽ được cô đặcđến nồng độ 25%.

- Sau đó dung dịch tiếp tục được bơm qua thiết bị cô đặc thứ III , tại đây dung dịch được

cô đặc đến nồng độ 45%

- Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc thứ I, hơi đốt đi bên ngoài ống truyềnnhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng cóbẫy hơi để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưng cũng sẽ được cho thoát rabên ngoài qua ống xả

- Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ I sẽ được tận dụng để làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ

II, tại đây nước ngưng và khí không ngưng cũng được xả bỏ ra ngoài như thiết bị thứ I

- Hơi thứ của thiết bị thứ II được tận dụng làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ III, tại đâykhí không ngưng và nước ngưng cũng được xã bỏ ra ngoài như thiết bị I và II

- Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ III được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước đểngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phầnhơi còn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không

x c

x đ

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

III.1 Dữ kiện ban đầu:

- Dung dịch NaNO3

- Nồng độ đầu xđ = 15 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC

- Nồng độ cuối xc = 45%

- Năng suất sản phẩm: Gc = 2 tấn/h

- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất hơi đốt là 5,0 at

- Áp suất thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,35 at

W - lượng hơi thứ khi nồng độ thay đổi từ xđ đến xc, kg/h

Gđ , Gc - lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h

xđ , xc - nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng

Giả thiết lượng hơi thứ ở các nồi như sau (sau quá trình tính lặp và kiểm tra):

x

G

x

d

d d







2 2

(W +W3)G

xGx

d

d d

d

d d

=

x1, x2 , x3 - nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối lượng;

W1, W2, W3 - lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h;

xđ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng;

Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/h;

III.2.3 Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi:

Áp suất tại thiết bị ngưng tụ : 0,35 at;

Tra bảng I.251/314 [4]  to tại thiết bị ngưng tụ = 72,05 oC

Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1oC

t3 = 73,05 oC

P3 = 0,36 at (tra bảng I.250/312 [4])

Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là: P1 = 5at

Hiệu số áp suất cho cả hệ thống:

P = P1 – Pnt = 5 – 0,35 = 4,65 at

6000×156000−4000

6000.15

6000−(1286,55+1169,59)

6000.15

6000−1169 ,59

Chọn tỷ lệ hiệu số áp suất cho các nồi như sau: P1/P2 = 2,0 , P2/P3 = 2,0Mà: P1 + P2 +P3 = P = 4,65 at

Suy ra: P1 = 2,63 at

P2 = 1,31 at P3 = 0,57 at

Ta có: P1 = P1 – P2

P2 = P2 – P3 P3 = P3 – Pnt

Suy ra: P2 = P1 - P1 = 5 – 2,63 = 2,27 at

P3 = P2 - P2 = 2,27 – 1,31 = 0,96 at

Với: P1,P2, P3: áp suất hơi đốt nồi 1, 2 và 3 at

Pnt : áp suất ở thiết bị ngưng tụ, at P1, P2,P3 : hiệu số áp suất nồi 1 so với nồi 2, nồi 2 so với nồi 3 và nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ , at

P: hiệu số áp suất cho cả hệ thống, at

Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 (1 chính là tổn

thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên ống dẫn), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối

cùng thì bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1oC (trang 106 [2])

Bảng 1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi

P (at) T(oc) P (at) T (oc) P (at) T(oc) P (at) T(oc)Hơi

0,35 72,05Hơi

f 162 m2

dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (xc) do đó ’ lấy theo nồng độ cuối dd (t107 [3]

III.2.6 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:

Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh (tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao):

dm : Khối lượng riêng dung môi , kg/m3;

H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m;  Chọn H = 2,5m

Po : Áp suất trên mặt thoáng dung dịch lấy bằng áp suất hơi thứ, at;

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

' ' o

22732

*81.9gH0.5hh

Bảng 3: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

Ptb (at)

Lưu ý : với dd là khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ cuối ở tsdd(Ptb) ( là

nhiệt độ đang cần xác định ) , nên ta cần chọn một nhiệt độ thích hợp ( chọn t = tsdm 0C)

để tính dd ( do  thay đổi không đáng kể trong một khoảng nhiệt độ nhỏ)

III.2.7 Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra:

Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là: 1 0C

Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra trên cả hệ thống ∆’’’ = 3 0C

III.2.8 Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống:

Σ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ , 0C ;

= 15,18 + 3,15 + 3 = 21,33 0C

III.2.9 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống:

Theo định nghĩa, hiệu số nhiệt độ hữu ích là:

ti = tch - ∑ III-9/111 [2]

Mà: tch = T – tng

Hoặc: ti = T – ts III-10/111 [2]

Mà: ts = t’ + ’ + ’’

Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

Nồi I: tiI = TI – tsI = TI – (tI’ + I’ + I’’)Nồi II: tiII = TII– tsII = TII – (tII’ + II’ + II’’)Nồi III: tiIII = TIII– tsIII = TIII – (tIII’ + III’ + III’’)Trong đó:

tiI, tiII,tiIII : Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

TI, TII, TIII : Nhiệt độ hơi đốt nồi I, nồi II, nồi III, oC

tI’, tII’ ,tIII’ : Nhiệt độ hơi thứ nồi I, nồi II, nồi III, oC

tsI, tsII, tsIII : Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

I’, II’,III’ : Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

I’’,II’’,III’’ : Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi I, nồi II, nồi III, oC Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:

∑ti = tiI + tiII+ tiIII

Bảng 4: Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi

O O Na Na

M

CnC

3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG :

III.3.1 Nhiệt dung riêng:

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20%

C = 4186.(1 - x), J/kg.độ; I.43/152 [4]

x: nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng(%);

Nhiệt dung riêng dung dịch đầu: Cđ = 4186.(1 - 0,15) = 3558,1 J/kg.độ;

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x > 20%

C = Cht.x + 4186.(1 - x), J/kg.độ; I.44/152 [4]

Cht: nhiệt dung riêng của chất hoà tan (J/kg.độ);

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi I:

MNaNO3 Cht = Ci.Ni I.41/152 [4]

M : khối lượng mol của hợp chất

Ci : nhiệt dung riêng của đơn chất

Ni : số nguyên tử trong phân tử

III.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

D : Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h

Gđ : Lượng dung dịch ban đầu, kg/h

 : Độ ẩm của hơi đốt

i, i1, i2 : Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi I và nồi II, J/kg

nN CN

26000×1+26000×1+168000×3 85

tđ, t1, t2, t3 : Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II, nồi III của dung dịch,

Cđ, C1, C2 , C3: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II, nồi III của dd, J/kg.độ

1, 2,3 : Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I, nồi II, nồi III

Cng1, Cng2,Cng3: Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi I, nồi II, nồi IIIJ/kg.độ

Qxq1, Qxq2, Qxq3: Nhiệt mất mác ra môi trường xung quanh, J

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi I và nồi II:

(tra Bảng I.250/312 [4])

i = 2754 kJ/kgi1 = 2716 kJ/kgi2 = 2677 kJ/kgi3 = 2630 kJ/kg Nhiệt độ sôi của dung dịch:

tđ = 75,31 oCt1 = 132,95 oCt2 = 101,96 oCt3 = 75,31 oC Nhiệt dung riêng của dung dịch:

Cđ = 3558,10 J/kg.độ C1 = 2844,55 J/kg.độ C2 = 3428,86 J/kg.độ C3 = 3630,64 J/kg.độ Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):

Cng1 = 4,315 kJ/kg.độCng2 = 4,253 kJ/kg.độCng3 = 4,218 kJ/kg.độ

 Thay các giá trị tra được bên trên vào các phương trình (2), (3), (4), giải hệ 3phương trình 3 ẩn số W1, W2, W3, ta được:

⇒ W1 = 1600 kg/h; W2 = 1286 kg/h; W3 = 1113 kg/h

Kiểm tra lại giả thiết phân phối hơi thứ ở các nồi:

%5

%100.1

W1 : lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị lớn

Wn : lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị nhỏ

KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH

IV.1 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt:

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát như sau:

Trong đó:

Q : nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W

Q = Dr nếu chất tải nhiệt là hơi nước bão hoà

Nồi III: QIII = W2r2 , W

r, r1, r2 : Ẩn nhiệt hóa hơi (ngưng tụ) của hơi đốt ở nồi I và nồi II, nồi III J/kg

IV.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi:

a.Nhiệt tải riêng trung bình: (trang 116 [2])

Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:

q1 = α1(t1 – tw1) = α1∆t1

itK

QF



CHƯƠNG IV

Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:

))(

11

()(

1

2 1 1

2

c w

r r

t t r

t1 : Nhiệt độ hơi đốt, oCt2 : Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, oCtw1, tw2 : Nhiệt độ 2 bên thành ống, oC

α 1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2độ

α 2 : Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m2độ

rc1 : Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt (nước sạch)

b.Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ:

Khi tốc độ của hơi nhỏ (10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì

hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau:

4 1

rA04

2

3.16

10.210232

H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m.

 Chọn H = 2,5 m

Với nước ngưng tụ giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng

Công thức tính nhiệt độ màng tm: trang 29 [5]

c Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi :

Giả sử chế độ sôi sủi bọt và quá trình là đối lưu tự nhiên, ta có:

435 0 2

565 0

dd n

dd n

dd n

P : Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, (N/m2)

∆t2 : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi, oC

∆t2 = tw2 – tsdd

dd , n : hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và nước, W/m.độ , : khối lượng riêng của dung dịch và nước, kg/mdd n 3

5 0 33 2 2145



(W/m2độ) VI.27/71 [5]

Cdd , Cn : nhiệt dung riêng của dung dịch và nước, J/kg.độ

dd , n : độ nhớt dung dịch và hơi đốt, Ns/m2 Xem như sự mất mát nhiệt không đáng kể

q = q1 = q2 tw2 = tw1 – q1

 Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dịch:

3

Bảng 8: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Nồi i Cp (J/kgK) (kg/m3) M (g/mol) dd (W/m.độ)

Bảng 9: Các số liệu tra cứu

m i

m

KQ

tK

Q

iIIiI





II

II I

I i

i

K

QK

QK

3

IIIK

Bảng 12: Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi

Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi:

Phân phối ti theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

Công thức chung: (o C) III-19/117 [2]

%5

%100)

t

t t t

i

tb

t

q K





%5

%100.1

i

 d l

Fn

4

2 2

F n





F : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 F = 315 m2

l : chiều dài ống truyền nhiệt, l = 2,5 m

d : đường kính ống truyền nhiệt, m

Chọn đường kính ống truyền nhiệt (bảng VI.6 [5])

dtr = dn - 2δv = 57 – 2.2,5 = 52 mm

Chọn kiểu bố trí ống truyền nhiệt hình lục giác đều

Do 1 > 2 nên d là đường kính trong của ống truyền nhiệt

772 ống

Xếp ống theo hình lục giác đều (bảng 3.6, trang 237, tài liệu [1])

Số ống trên đường chéo: 33 ống

b Đường kính ống tuần hoàn trung tâm :

Tổng tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt:

4 tth

fD



57

800d

Dth

8,0



9

,07,

057,031560sin2,14,

tD

057,0

*2,1

8,01

1

t

Dbb

 Chọn theo tiêu chuẩn: Dth = 0,8 m trang 291 [1]

Đối với ống tuần hoàn trong phải chọn đường kính ống tuần hoàn lớn hơn khoảng

10 lần đường kính ống truyền nhiệt của buồng đốt trang 291 [1]

.60sin4.0

n th

n o

l

d F

: hệ số, lấy β = 1,2

t : bước ống, m (t =1,2-1,5dn) chọn t = 1,2dn

dn : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m

 : hệ số sử dụng lưới đỡ ống (  chọn

l : Chiều dài ống truyền nhiệt, m => l = 2,5 m

Dth : đường kính ống tuần hoàn trung tâm, m ; Dth = 0,8 mSin 600: do xếp ống theo hình lục giác đều, nên 3 ống cạnh nhau ở hai dãy sát

nhau tạo thành một tam giác đều có góc trang 122 [2]

F : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2

2,314 m

Chọn theo chuẩn đường kính buồng đốt Dt = 2,4 m trang 291 [1]

d Ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm:

t





8.0052,0690(,52)

b: là số ống bị loại nằm trên đường kính ngoài của lục giác đều tính từ tâm, ống Chọn b = 13 ống

Suy ra số ống bị thay thế: 127 ống

Vậy số ống truyền nhiệt cần thiết: 817 – 127 = 690 ống

 Vậy số ống truyền nhiệt lúc này là 690 ống

e Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt:

Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt được chọn là 315 m2 và số ống truyền nhiệt là

b

h b

h h

D

W4D

4

WF

h (Ns/m2)

h

o (m/s) Ghi chú

Nồi II 958,10 0,60 0,00001235 0,22 3,21 4,73 1,15 Thỏa (*)

Vậy đường kính buồng bốc Db = 2,8 m

b Thể tích buồng bốc :

(m3) b III-23/120 [2]

U

W V





6 0

Re

5.18

)'(

b n

ốngn

mD

mH

n t t

,0570

,0520690

.2,4

,52

Hb

DD

50H

m2,0

m8,2

m,42

g

Lớn Nhỏ



(m),202

2,42,8 



W : Lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h

h : Khối lượng riêng hơi thứ, kg/m3.

Up : Cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất khác 1 at, m3/m3h

Vb (m3)

Hb (m)

Vì trong buồng bốc cĩ hiện tượng sủi bọt sơi cĩ 1 phần mực chất lỏng trong buồng bốc

nên chọn chiều cao cho cả ba nồi là Hb = 2,5 m

 Kích thước của buồng bốc và buồng đốt:

c Bộ phận nối buồng đốt và buồng bốc:

Chọn đáy nĩn cụt và vật liệu là thép khơng gỉ X18H10T

Gĩc nghiêng 45

Kích thước của đáy nĩn cụt:

2 b

b b

D

V4H





3924,024002

'

h

tPDS

- Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3

- Thân có 3 lỗ: 1 lỗ tháo nước ngưng, 1 lỗ xả khí không ngưng và 1 lỗ dẫn hơi đốt

(thỏa)0,6252 N/mm2> 0,3924

956,1 > 25

1,26 (mm) 5-3/96 [6]

trang 95 [6]

1,0,0002902400

1



t

aD

CS

1895,01.113,12

2][

a t

a h

CSD

CS

125,4h

1246,024002

'

h

tPDS

Kiểm tra bảng 5-1 trang 94 [6] Với Dt = 2400 mm  Chọn S = 8 mm.;

Kiểm tra điều kiện bền: 5-10, 5-11/97 [6]

Vậy bề dày thân buồng đốt nồi I thỏa điều kiện bền: S = 8 mm.

b Buồng đốt n ồi II:

Thông số làm việc: Dt = 2400 mm

Pt = 2,27 at  Thân buồng đốt nồi II chịu áp suất trong

Nhiệt độ hơi đốt: t = thđ = 122 oCThông số tính toán: Ptt = Pdư = 2,27 – 1 = 1,27 at = 0,1246 N/mm2

t = 122 + 20 = 142 oC (có bọc lớp cách nhiệt) Các thông số cần tra và chọn:

[]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2  []* = 132 N/mm2

0,297 > 0,1246

,1000125,02400

1



t

aD

CS

1495,012522

][

a t

a hCSD

CS

Kiểm tra điều kiện bền: 5-10, 5-11/97 [6]

thỏa

Vậy bề dày thân buồng đốt nồi II thỏa điều kiện bền: S = 4 mm.

c Buồng đốt n ồi III:

[]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2  []* = 135 N/mm2

Nc : Hệ số an toàn  Tra nc = 1,5 (bảng 1-6 trang 14 [6])

202,5 N/mm2 : Giới hạn chảy của vật liệu làm

5

102,0240018,

=1

4 018

,1

n tD

LE

PD

t t

a

CS

DD

LD

CS

12 1 10,44

2

2400042

,12400

2500143

,02400

1-122

c

t

CSE

11225,202

101,930042,

1122000

240010

a t

a t

t

D

CSD

CSL

DE

,0

102,0.4

)1222400.(

.4

)2

thân ở nhiệt độ tính toán (N/mm2)

Bề dày tối thiểu của thân chịu áp suất ngoài:

S’= 8,88 mm

Bề dày thực của thân:

S = S’ + Ca = 8,88 + 1 = 9,88 mm

Tra bảng XIII.9 trang 364 [5]  Chọn S = 12 mm.

Kiểm tra hai điều kiện: 5-15, 5-16/99 [6]

Kiểm tra áp suất ngoài cho phép: 5-19 [6]

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu áp lực của lực nén chiều trục:

Lực nén chiều trục: (trang 110 [6])

(thoả)

5-14/98[6]

5-32/ 103 [6]

5,6524 N/mm2

113,67 N/mm2

250109).(

155,01285,0

t

t c

E

.1,144

c t 

ctEK

P



151,02215,0

102,0

113.67

.5,6524]

[]

n n

nP

t

C S

Điều kiện ổn định của thân: (S – Ca) = 11 ≥ (thỏa)

Ứng suất nén chiều trục theo công thức 5-48/107 [6]

.( t a

ct n

C S S D

c n

D

C S E

][

Kiểm tra độ ổn định của thân, thân chịu tác dụng đồng thời áp lực ngoài và lực nén

chiều trục: (5-47/107 [6])

Vậy chiều dày thân buồng bốc nồi III: S = 12 mm

V.1.2 Thân buồng bốc:

- Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng bốc là CT3

- Thân buồng bốc có 1 lỗ nhập liệu, và 1 lỗ thông áp

- Cuối thân buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ để nối buồng đốt và buồng bốc

985,22 > 25 trang 95 [6]

(thỏa)0,253 > 0,1177

 



,120

124,45h

127,028002

'

h

tPDS





1,000107,02800

1



t

aD

CS

1695,012522

][

a t

a h

CSD

CS

Kiểm tra bảng 5-1 trang 94 [6] Với Dt = 2800mm  Chọn S = 6 mm.

Kiểm tra điều kiện bền: 5-10, 5-11/97 [6]

 Vậy bề dày thân buồng boc nồi I thỏa điều kiện bền: S = 6 mm.

0981,028002

'

h

tPDS

[]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2  []* = 132 N/mm2

Kiểm tra bảng 5-1 trang 94 [6] Với Dt = 2800mm  Chọn S = 4 mm.

Kiểm tra điều kiện bền: 5-10, 5-11/97 [6]





t

aD

CS

1495,012522

][

a t

a h

CSD

CS

,1

n tD

LE

PD

5 2800

250010

1,9

161,0280018,

=1

Vậy bề dày thân buồng bốc nồi II thỏa điều kiện bền: S = 4 mm.

c Buồng bốc n ồi III :

L = Hb = 2500 mm Các thông số cần tra và chọn:

[]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2  []* = 138 N/mm2

(ở 93,05 oC) hình 1-1/16 [6]

h : Hệ số bền mối hàn, chọn chế độ hàn tự động dưới lớp

thuốc, hàn giáp mối 2 phía, với Dt = 2800mm > 700mm  h = 0,95

Et : mođun đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ làm việc, N/mm2

Tra bảng 2-12/34 [6]  Et = 1.95 x105 N/mm2

nc : Hệ số an toàn  Tra nc = 1,65 bảng 1-6 trang 14 [6]

: Giới hạn chảy của vật liệu làm thân ở nhiệt độ tính toán, N/mm2

Bề dày tối thiểu của thân chịu áp suất ngoài:

Bề dày thực của thân:

S = S’ + Ca = 11,64 + 1 = 12,64 mm

Tra bảng XIII.9 trang 364 [5]  Chọn S = 14 mm.

t c

