Đồ án công nghệ sản xuất Na2SO4

MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 04 I. Mở đầu. 04 II. Cô đặc 04 1.Định nghĩa 04 2.Các phương pháp cô đặc 05 3.Phân loại và ứng dụng 05 III.Nhiệm vụ của đồ án 06 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 07 I.Quy trình công nghệ 07 II.Thuyết minh quy trình công nghệ 07 CHƯƠNG III : TÍNH CÔNG NGHỆ 10 I.Cân bằng vật liệu 10 1.Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống 10 2.Xác định nồng độ muối của mỗi nồi 10 II.Cân bằng nhiệt lượng. 11 1.Xác định áp suất trong các nồi 11 2.Xác định nhiệt độ của các nồi 12 3.Xác định tổn thất nhiệt độ 13 4.Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi 15 5.Cân bằng nhiệt lượng 16 III.Tính bề mặt truyền nhiệt 20 1.Các thông số cơ bản của dung dịch 20 1.1.Độ nhớt 20 1.2.Hệ số truyền nhiệt của dung dịch 21 1.3. Tính hệ số cấp nhiệt α 22 2.Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi 26 3.Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi 27 CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 29 I.Tính buồng đốt 29 1. Tính số ống truyền nhiệt 29 2. Đường kính của buồng đốt 29 3. Tính chiều dày của vỉ ống 33 4. Tính bề dày của đáy buồng đốt 33 II.Buồn bốc 34 1. Đường kính buồng bốc 34 2. Chiều cao của buồng bốc 34 3. Bề dày của buồng bốc: 35 4. Bề dày nắp của buồng bốc 36 III.Tính toán đường kính ống dẫn 38 1. Đường kính ống dẫn hơi đốt 38 2. Đường kính ống dẫn hơi thứ 38 3. Đường kính ống dẫn dung dịch 39 4. Đường kính ống thải nước ngưng 40 IV.Tính bề dày lớp cách nhiệt 41 1. Cách nhiệt cho ống dẫn 41 2. Cách nhiệt cho than hình trụ 43 V.Tính toán các mặt bích 43 1. Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp 44 2. Mặt bích nối thành thiết bị với các ống dẫn 44 VI. Tính toán tai treo và giá đỡ 44 1. Tai treo của thiết bị 44 2. Chân đỡ buồng đốt 47 PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 49 I.Tính tháp ngưng tụ Baromet 49 1. Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 49 2. Lượng không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 49 3. Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ 50 3.1 Đường kính trong của thiết bị 50 3.2 Kích thước của tấm ngăn 50 3.3 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ 51 3.4 Ống Baromet 52 II.Chọn bơm. 54 1. Chọn bơm ly tâm để bơm nước lên thiết bị 54 2. Tính bơm chân không cho thiết bị ngưng tụ 57 2.1 Đường kính ống dẫn khí không ngưng ra khỏi tháp: 57 2.2 Công suất bơm 58 3. Bơm để bơm dung dịch vào thùng cao vị 59 Tài liệu tham khảo 61

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 04

I Mở đầu .04

II Cô đặc 04

1.Định nghĩa 04

2.Các phương pháp cô đặc 05

3.Phân loại và ứng dụng 05

III.Nhiệm vụ của đồ án 06

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 07

I.Quy trình công nghệ 07

II.Thuyết minh quy trình công nghệ 07

CHƯƠNG III : TÍNH CÔNG NGHỆ 10

I.Cân bằng vật liệu 10

1.Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống 10

2.Xác định nồng độ muối của mỗi nồi 10

II.Cân bằng nhiệt lượng 11

1.Xác định áp suất trong các nồi 11

2.Xác định nhiệt độ của các nồi 12

3.Xác định tổn thất nhiệt độ 13

4.Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi 15

5.Cân bằng nhiệt lượng 16

III.Tính bề mặt truyền nhiệt 20

1.Các thông số cơ bản của dung dịch 20

1.1.Độ nhớt 20

1.2.Hệ số truyền nhiệt của dung dịch 21

1.3 Tính hệ số cấp nhiệt α .22

2.Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi 26

3.Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi 27

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH .29

I.Tính buồng đốt 29

1 Tính số ống truyền nhiệt 29

2 Đường kính của buồng đốt 29

3 Tính chiều dày của vỉ ống 33

4 Tính bề dày của đáy buồng đốt 33

II.Buồn bốc 34

1 Đường kính buồng bốc 34

2 Chiều cao của buồng bốc 34

3 Bề dày của buồng bốc: 35

4 Bề dày nắp của buồng bốc 36

III.Tính toán đường kính ống dẫn 38

1 Đường kính ống dẫn hơi đốt 38

2 Đường kính ống dẫn hơi thứ 38

3 Đường kính ống dẫn dung dịch 39

4 Đường kính ống thải nước ngưng 40

IV.Tính bề dày lớp cách nhiệt 41

1 Cách nhiệt cho ống dẫn 41

2 Cách nhiệt cho than hình trụ 43

V.Tính toán các mặt bích 43

1 Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp 44

2 Mặt bích nối thành thiết bị với các ống dẫn 44

VI Tính toán tai treo và giá đỡ 44

1 Tai treo của thiết bị 44

2 Chân đỡ buồng đốt 47

PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 49

I.Tính tháp ngưng tụ Baromet 49

1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 49

2 Lượng không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 49

3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ 50

3.1 Đường kính trong của thiết bị 50

3.2 Kích thước của tấm ngăn 50

3.3 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ 51

3.4 Ống Baromet 52

II.Chọn bơm 54

1 Chọn bơm ly tâm để bơm nước lên thiết bị 54

2 Tính bơm chân không cho thiết bị ngưng tụ 57

2.1 Đường kính ống dẫn khí không ngưng ra khỏi tháp: 57

2.2 Công suất bơm 58

3 Bơm để bơm dung dịch vào thùng cao vị 59

Tài liệu tham khảo

61

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

da và nhuộm vải…

Na2SO4 là một muối trung tính,không có tính độc hại.nhưng ở nhiệt độcao nó dễ kết tinh thành các muối không tan ảnh hưởng tới các quá trinhnung,luyện,làm giảm năng xuất.Vì vậy cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị,đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất

Trước đây trong công nghiệp Na2SO4 thường được sản xuất bằng cáchcho NaOH tác dụng với dung dịch CuSO4 .Ngày nay người ta pha dung dịchNaOH với dung dịc axit H2SO4 loãng ,nóng Tuy nhiên dung dịch sản phẩmthu được thường có nồng độ rất loãng , khó khăn trong việc vận chuyển đi xa

Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng người ta phải cô đặc dung dịch đếnmột nồng độ nhất định theo yêu cầu

II.Cô đặc

1. Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào

đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Tùy theo tính chất của cấu tử khóbay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dungmôi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháplàm lạnh kết tinh

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi

2. Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sangtrạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng ápsuất 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 đểtăng nồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lênmặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khiphải dùng đến máy lạnh

3. Phân loại và ứng dụng

a Theo cấu tạo

•Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặcdung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dungdịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong

hoặc ngoài

- Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc)

•Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dungdịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ sốtruyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinhtrên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

•Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúcnhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thựcphẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịchsôi tạo bọt khó vỡ.

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch

sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.

b Theo phương pháp thực hiện quy trình

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

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, ápsuất 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 nênlớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áplực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ chomục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụngđiều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

III.Nhiệm vụ của đồ án.

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch Na2SO4 hai nồi xuôi chiều với các thong số sau:

- Buồng đốt ngoài kiểu đứng tuần hoàn tự nhiên

- Năng suất dung dịch đầu vào 14000kg/h

- Nồng độ dung dịch đầu : xđ = 10%

- Nồng độ dung dịch cuối: xc =40%

- Áp suất hơi nước nồi 1 là: p=4 at

- Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ là: png =0,25 at

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1.Quy trình công nghệ

2.Thuyết minh quy trình công nghệ

Dung dịch Na2SO4 được bơm lên trên thiết bị gia nhiệt với suất lượng

14000 kg/h Qua trình bơm sẽ có sự điều chỉnh lưu lượng cho thích hợp với

hệ thống tự động điều khiển lưu lượng Thiết bị gia nhiệt được sử dụng làthiết bị gia nhiệt ống chùm dạng vỏ áo, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiềuống truyền nhiệt nhỏ được bố trí theo đỉnh tam giác đều Các đầu ống nàyđược giữ cố định nhờ các vỉ ống gắn với thân Thiết bị gia nhiệt sử dụng hơiđốt lấy từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at Dung dịch được đưa vào cùngchiều dòng hơi để tránh hiện tượng dòng ra bị cháy do tiếp xúc với nhiệt độquá cao.Ngoài ra việc dung dịch chảy từ trên xuống sẽ tận dụng lực trọngtrường nên không tiêu tốn năng lượng Trong thiết bị gia nhiệt có sự trao đổinhiệt giữa dòng lỏng và dòng hơi qua vách ống truyền nhiệt Dòng lỏng sẽđược gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi trước khi vào thiết bị cô đặc t

=110.210C Việc gia nhiệt lên nhiệt độ sôi có ý nghĩa lớn cho quá trình diễn ralúc sau ở thiết bị cô đặc vì ta sẽ không phải mất thêm năng lượng cho việc gianhiệt đến nhiệt độ sôi, ngoài ra còn đảm bảo quá trình truyền nhiệt để bốc hơi

ở buồng đốt là thật sự hiệu quả Còn dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành lỏngsôi và đựơc thoát ra ngoài Ơ thiết bị gia nhiệt có ống thoát khí không ngưng

để đảm bảo an toàn về áp suất trong thiết bị và quá trình truyền nhiệt có hiệuquả

Từ thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đưa sang hệ thống cô đặc Ở đây

ta sử dụng thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài, cĩ ống tuần hồn và hai nồi liêntục xuôi chiều

Đầu tiên dòng lỏng vào buồng đốt 1 (thiết bị cô đặc 1) Thiêt bị này cócấu tạo như thiết bị gia nhiệt loại màng có bộ phận phân phối lỏng (là bộ phận

có nhiều lỗ nhỏ và những ống ngắn hàn vào đĩa, các ống này có dưòng kínhnhỏ hơn ống truyền nhiệt và được đặt đồng tâm, lọt vào ống truyền nhiệt Ởđây dòng lỏng được để ở chế độ chảy màng từ trên xuống trong các ốngtruyền nhiệt để tận dung lực trọng trường cũng như có thể tạo được mànglỏng mỏng và đều Việc phân phối lỏng như trên được thực hiện nhờ vào đĩaphân phối lỏng Khi lỏng đi vào buồng đốt (phần nắp) sẽ chảy từ từ qua các lỗnhỏ rồi men theo thành rỗng giữa ống truyền nhiệt và ống ngắn để tạo thànhmàng mỏng với bề dày theo yêu cầu đặt ra Dòng hơi được sử dụng cũng từ lòhơi với áp suất tuyệt đối là 4 at, dùng năng lượng lấy từ sự ngưng tụ hơi nước

để cấp nhiệt cho dòng lỏng Trong thiết bị này, khác với thiết bị gia nhiệt ởchỗ dòng lỏng không nhận nhiệt để thay đổi nhiệt độ mà đẻ thay đổi entanpinhằm chuẩn bị cho quá trình bốc hơi sẽ diễn ra ở trong buồng bốc Tưong tựnhư thiêt bị gia nhiệt dòng hơi ngưng tụ thành lỏng được thoát ra ngoài và ởbuồng đốt cũng có ống thoát khí không ngưng Sau khi chảy qua hệ thống ốngtruyền nhiệt, dung dịch đi xuống thân phụ để chuyển qua buồng bốc Thânphụ giúp duy trì một vận tốc ổn dịnh cho dòng lỏng Thân phụ nối với bồngbốc nhờ một ống hình chữ nhật đi ra vuông góc với thân phụ và tiếp tuyến vớithân buồng bốc để tạo ra dòng chuyển động xoáy giúp xáo trộn tốt hơi và lỏnggiúp quá trình bốc hơi dễ dàng hơn

Ở buồng bốc 1, dung dịch thực hiện quá trình bốc hơi (sau khi đã nhận

đủ nhiệt để chuyển trạng thái) Trong quá trình bốc hơi sẽ có hiện tượng dònghơi lôi cuốn các giọt lỏng đi theo nó và điều này sẽ làm ảnh hưởng đến thiết

bị phía sau do có sự tạo cặn lên các ống truyền nhiệt làm giảm hiệu quảtruyền nhiệt Để khắc phục điều này trong các buồng bốc thường có bộ phậnphân ly giọt lỏng Tuỳ vào loại thiết bị mà có thể dựa vào lực trọng trường, sựdính ướt hay sự ly tâm Ơ đây ta sử dụng thiết bị phân ly theo kiểu dính ướtdạng nón Khi dòng hơi bốc lên sẽ gặp bề mặt nón, các giọt lỏng sẽ bị giữ lạitrên nón và chảy xuống lại buồng đốt theo ống mao quản, còn hơi thứ tràn qua

phần nón đi ra ngoài theo ống dẫn hơi để sang truyền nhiệt cho buồng đốt 2.Còn dung dịch được bơm sang buồng đốt 2 để tiếp tục thực hiện quá trình côđặc.

Ở hệ thống nồi cô đặc 2 hiện tượng xảy ra tương tự như ở nồi 1 tuynhiên cũng có một số khác biệt về hơi đốt và đầu ra của các dòng như sau:

Ở buồng đốt 2, dung dịch Na2SO4 (lúc này đã có sự giảm mạnh về lưulượng) cũng được chảy màng từ trên xuống thực hiện chế độ truyền nhiệt êmdịu Hơi đốt lúc này chính là hơi thứ lấy từ buồng bốc 1 Do có sự thay đổiđáng kể áp suất ở mặt thoáng dung dịch nên nhiệt độ sôi của dung dịch đãgiảm xuống ứng vơi nhiệt độ hiện có của dung dịch Do đó dung dịch cũngchỉ cần nhận nhiệt lượng phục vụ cho việc tăng entanpi để có thể bốc hơi khisang buồng bốc Nứơc ngưng cùng khí không ngưng cũng được thoát rangoài Dung dịch chảy xuống thân phụ được đưa sang buồng bốc

Tại buồng bốc 2, quá trình bay hơi được thực hiện Hơi thứ lúc này có

áp suất tuyệt đối khá nhỏ 0.26 at được đi theo ống dẫn hơi đên thiết bị ngưng

tụ baromet Trong khi đó dung dịch Na2SO4 sau quá trình bốc hơi đạt đếnnồng độ 40 % ở nhiệt độ 67.50C được đưa vào bồn chứa chuẩn bị cho cáccông đoạn sau đó

Thiết bị ngưng tụ baromet được chọn ở đây là thiết bị ngưng tụ trựctiếp loại khô Lúc này dòng hơi thứ được đi từ dưới lên, tiếp xúc trực tiếpdòng lỏng được cấp vào từ trên xuống có nhiệt độ thấp 300C sẽ ngưng tụthành lỏng theo dòng nước đi xuống bồn chứa với nhiệt độ nước ngưng bằng

500C Trong quá trình này có một lượng lớn hơi được ngưng tụ nên áp suấtgiảm tạo áp suất chân không Chính nhờ điều này mà áp suất trong thiết bịđược duy trì ổn định Sau khi qua thiết bị ngưng tụ, dòng khí không ngưngcòn lại sẽ được chuyển qua thiết bị tách lỏng Tấm ngăn sẽ làm vật cản đểdính ướt các giọt lỏng có thể còn sót lại trong dòng khí này rồi sau đó mới cho

nó qua thiết bị bơm chân không để tránh hiện tượng xâm thực có thể xảy ra

làm hư bơm.Do áp suất bên trong thiết bị thấp hơn áp suất bên ngoài nên khíkhông ngưng không tự thoát ra ngoài vì vậy phải sử dụng bơm hút chânkhông giúp hút khí không ngưng để áp suất không bị thay đỏi trong cả hệthống.

Lượng nước ngưng được thoát ra từ thiết bị gia nhiệt, buồng đốt 1,buồng đốt 2 được gom lại và đi qua tháp giai nhiệt hạ đến nhiệt độ thường

phục vụ cho những mục đích khác nhau tuỳ vào độ tinh sạch của nó

CHƯƠNG III: TÍNH CÔNG NGHỆ

I Cân bằng vật liệu :

1) Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống :

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống :

Gđ = Gc + W (1)

Trong đó :

Gđ : Lượng dung dịch đầu (kg/h)

Gc : Lượng dung dịch cuối (kg/h)

W : Lượng hơi thứ ra khỏi thiết bị (kg/h)

Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử phân bố :

Gđ * xđ = Gc * xc

Với : xđ, xc là nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng)Trong quá trình cô đặc coi khối lượng chất tan không bị mất mát theo lượnghơi bốc ra

Ta có : Gđ * xđ = Gc * xc (2)

Từ (1) và (2) : W = Gđ (1- )

Theo các số liệu ban đầu : Gđ = 14 (tấn/giờ) = 14000 (kg/h)

xđ = 10 (% khối lượng) ; xc = 40 (% khối lượng)

⇒

W = Gđ (1- ) = 14000 (1- ) = 10500 (kg/h)

2) Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi :

Lượng hơi thứ bốc hơi ra ở nồi 1,2 tương ứng là W1:W2=1:1,1

II Cân bằng nhiệt lượng :

1) Xác định áp suất trong các nồi :

Gọi: P1, P2là áp suất của nồi 1 và nồi 2

là hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ

Giả thiết ta dùng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hoà.Gọi ∆Plà hiệu số áp suất của toàn hệ thống

P P

P= −

Theo dữ liệu đã cho : P1= 4 (at) ; nt

2) Xác định nhiệt độ của các nồi :

Gọi thđ1, thđ2, tnt là nhiệt độ của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2 là nhiệt độ của hơi thứ đi ra khỏi nồi 1 và nồi 2

Coi sự tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống khi vận chuyển hơi từ thiết bị này qua thiết bị khác là 10C

⇒

tht1 = thđ2 + 1 (3)

tht2 = tnt + 1 (4)

Từ áp suất P1, P2 đã biết, tra bảng I.251_Tr 314_STQTTB 1 ta được thđ1, thđ2

của nồi 1 và nồi 2

Từ các công thức (3) và (4) ta biết được tht1, tht2

Từ tht1, tht2, tra bảng I.250_Tr 312_STQTTB 1 ta được áp suất của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2

Lập bảng I.1 :

Nồi 1 Nồi 2 TBBarômet

Sử dụng công thức Tiasenco: r

T s2

0 * 16 , 2 * ' = ∆

: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thường

r : Ẩn nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc

Dựa vào bảng VI.2_Tr 61_STQTTB 2 ta biết được 0

Nhiệt độ hoá hơi r (J/kg)

⇒ ∆ ' = ∆ ' 1 + ∆ ' 2

= 6,53 + 22,40= 28,93(0C)

b.Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (∆’’ ):

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆P (N/m2), ta có:

∆P = 2

1

ρS*g*Hop ( N/m2)Trong đó:

ρs : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi: ρs =0,5ρdd ( kg/m3)

ρdd : Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ( m)

Hop = [0,26+0,0014(ρdd-ρdm)]*Ho

Từ ∆P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua công thức:

Ptbi= P’i+∆Pi( i ): nồi thứ i

Tra sổ tay ta có được bảng sau:

x C , % t’ , 0C ρdd , kg/m3 ρdm , kg/m3

Coi ρdd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặtđến độ sâu trung bình của chất lỏng.Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho=1,5(m)

Áp suất trung bình:

Ptb2= P’2+∆P2=0,26+0,5*0,5*1430*10-4*1,2512=0,304 (at)Tra sổ tay Ptb2 = 0,304 (at) ta co t”2= 67,8 0C

d.Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:

Σ∆=Σ∆’+Σ∆”+Σ∆”’=27,8+2,7+2,5=33,9 0C

4 Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:

Nồi I:∆ti1=TI – (T2+Σ∆1) =143,9 – (115,43+6,53+0,4+1,5)=20,04 0CNồi II: ∆ti2=T2 – (tng +Σ∆2) =116,4– (65,5+22,17+2,3+1)=26,46 0C

Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:

Nồi I : ∆ti1=TI –tS1 suy ra tS1=T1 - ∆ti1=143,9 – 20,04 = 123,5 0C

Nồi II : ∆ti2=T2 –tS2 suy ra tS2=T2 - ∆ti2=116,4 – 26,46 = 89,94 0C

5 Cân bằng nhiệt lượng:

a. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:

Nồi I:

Nồng độ đầu dung dịch xD=15%<20% nên ta áp dụng công thức:

CD=4186 (1-xD) =4186* (1- 0,10) =3516,24 j/kg*độNồi II:

b) Nhiệt lượng riêng :

I : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

i : Nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)

Dựa vào bảng I.249_Tr 310_STQTTB 1(tra Cn, C) và bảng I.250_Tr

Gọi : D1, D2 : là lượng hơi đốt của cả 2 nồi (trong đó D1 cần phải tìm) (kg/h)

Gđ, Gc : lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)

W1,W2 : lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1 và nồi 2 (kg/h)

Cđ, Cc : nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối (J/kg độ)

tđ,tc : nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (0C)

I1, I2 : hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)

i1, i2 : hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)

Cn1,Cn2 : nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg độ)

Qtt1, Qtt2 : nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2 (J)

Hình I.1: Sơ đồ hệ thống nhiệt lượng của nồi 1 và nồi 2

Nhiệt lượng vào :

_ Nồi1:

+ Do hơi đốt mang vào : D1I1

+ Do dung dịch mang vào : GđCđtđ

_ Nồi 2 :

+ Do hơi đốt mang vào : D2I2

+ Do dung dịch ở nồi 1 mang vào : (Gđ-W1)C1t1

Như vậy các kết quả tính toán trên được chấp nhận.

III Tính bề mặt truyền nhiệt :

1) Các thông số cơ bản của dung dịch:

1.1) Độ nhớt:

Sử dụng công thức Pavalov :

k t

2

1 , θ θ

: nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là

2

1 , µ

µ

Thường ở đây người ta lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn

⇒ 3 , 3385 9 , 8947

40 30 2

1

2 1

t t

Nồi 1:

8947 , 9 5253 , 1

40 86 , 123

40 97 , 89

d

ρ ρ

: Khối lượng riêng của chất lỏng

M : Khối lượng Mol của chất lỏng

Ta có : M= mi*Md + (1 - mi)*MH2O

H O

i

d i d i

i

M

x M

x M

x m

2

1 − +

=

Nồi 1 :

M1= mi1*Md + (1 - mi1)*MH2O= 0,048*40 + (1- 0,048)*18= 19,738

3 8

3 1 1

738 , 19

1175

* 1175

* 24 , 3516

* 10

* 58 , 3

d

ρ ρ λ

= 0,578Nồi2 : mi2

M2 = mi2*Md + (1 - mi2)*MH2O= 0,077*40 + (1- 0,077)*18= 21,564

3 8

3 2 2

564 , 21

1430

* 1430

* 6 , 3035

* 10

* 58 , 3

*

=

M C

d

ρ ρ λ

= 0,629

1.3) Tính hệ số cấp nhiệt α

:

Mô tả sự truyền nhiệt qua vách ống :

Thiết bị cô đặc có khu vực sôi bố trí bên trong ống, phía ngoài ống cómột lớp nước ngưng tụ Màng nước ngưng này có ảnh hưởng đến quá trìnhtruyền nhiệt Đồng thời sát thành ống phía bên trong có một lớp cặn dungdịch bám vào, lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giaiđoạn:

- Truyền nhiệt từ hơi đốt đền bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số

cấp nhiệt α1

và nhiệt tải riêng q1 (w/m2)

- Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày δ

- Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung

dịch với hệ số cấp nhiệt α2

và nhiệt tải riêng q2 (w/m2)

a) Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị :

=5,850C Với nồi 21

H t

Với r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt Tra bảng I.250 _Tr 312_STQTTB 1, ta có :

: Khối lượng riêng của màng nước ngưng

H : Chiều cao đứng của ống truyền nhiệt; H=1,5 (m)

r A

=

A

; A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng

Ta có : Nhiệt độ của màng nước ngưng:

3 25

, 0 1

1 , 5

* 5 , 1

10

* 5 , 2135 (

* 0525 , 194

* 04 , 2 )

* (

*

* 04 ,

∆

=

t H

r A

3 25

, 0 1

85 , 5

* 5 , 1

10

* 65 , 2215 (

* 8588 , 182

* 04 , 2 )

* (

*

* 04 ,

∆

=

t H

r A

α

= 8361,99

α

: Hiệu số cấp nhiệt của nước

435 , 0 2

565 ,

0 * ( ) * ( ) * ( ) )

ρ λ

λ

ψ

Trong đó: d d d d

C µ ρ

0 *

* 14 ,

0 *

* 3 ,

với ∑r là tổng nhiệt trở : 1 2 3

r r r

r= + +

∑

Trong đó : r1 : nhiệt trở do lớp nước ngưng

r2 : nhiệt trở do lớp cặn của dung dịch bám trên thành ống

r3 : nhiệt trở qua lớp vật liệu

Với ống truyền nhiệt người ta thường dùng thép CT3 có chiều dày

) ( 4

2 ÷ mm

= δ

Lớp vật liệu có hệ số truyền nhiệt : λ =50

(w/m.độ)Nồi 1: Chọn ∑r=0,00024

1 3 , 14 *p *q 3 , 14 * 1 , 81 * 46406 , 43

n

α

6341,41Nồi 2: Chọn ∑r = 0,00099

α =

=0,6532*6341,41= 4142,211

11 1

21 t t T

t T = hd − ∆ − ∆

= 142,9- 5,1-11,14= 126,660C1

α

0,9657*4918,15=4749,4572

12 2

t T = hd − ∆ − ∆

= 115,43- 5,85- 48,43=61,15 (0C)2

_ Nồi 1: Q1=(q11+ q21)/2 =(46406,43+55819,37)/2=51112,9 (w/m2)

_ Nồi 2: Q2=(q12+ q22)/2 = (48917,64+59444,20)/2=54180,92 (w/m2)

* Sai số:

% 100

* 9

, 51112

9 , 51112 37

, 55819

% 100

* 1

1 21

Q

Q q

η

= 9,2% < 10%

% 100

* 92

, 54180

20 , 59444 92

, 54180

% 100

* 2

22 2 2

η

= 9,7% < 10%

Tổng lượng nhiệt Q của mỗi nồi :

_ Nồi 1: Q1=(q11+ q21)/2 =(44976,9193+54941,60)/2=49959,2610 (w/m2)_ Nồi 2: Q2=(q12+ q22)/2 = (47487,758+57423,227)/2=52455,493 (w/m2)

* Sai số:

% 100

* 2610

, 49959

2610 , 49959 60

, 54941

% 100

* 1

1 21

Q

Q q

η

= 9,9728% < 10%

% 100

* 493

, 52455

493 , 52455 227

, 57423

% 100

* 2

22 2 2

i

m

m im

K Q

t K

Q

(0C)trong đó :

Σ∆t = ∆t +∆t = 19,04+25,46=44,5 0C

Σ i

i K Q

=

94 , 2872 08

, 2128

204 , 3208938 5

, 2684

817 ,

- Tính cho nồi I:

14 , 21 94 , 2872

5 , 44

* 5 , 2684

817 , 3664446

i

I

I iI

K Q

t K

Q t

(0C)

- Tính cho nồi II:

36 , 23 94 , 2872

5 , 44

* 08 , 2128

204 , 3208938

i

II

II iII

K Q

t K

Q t

% 100

* 14 , 21

04 , 19 14 ,

<10%

_ Nồi2:

% 98 , 8

% 100

* 36 , 23

36 , 23 46 , 25

Thực tế:

Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1 là:

14 , 21

* 5 , 2684

817 , 3664446

Q F

* 08 , 2128

204 , 3208938

2

2 2

hi t K

Q F

64,55 ( m2)Theo giả thiết:

* 5 , 2684

817 , 3664446

1

1 2

1

hi t K

Q F

F

64,57 ( m2)Như vậy dựa vào F1,F2 ta có thể thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi buồng đốt treo có diện tích truyền nhiệt bằng nhau và bằng 65 m2

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I Tính buồng đốt:

1)

Tính số ống truyền nhiệt :

Chọn đường kính ống truyền nhiệt là: d0= 40 mm =0,04 m

Chiều cao ống truyền nhiệt như đã chọn ở trên là H0=1,5 m

* 5 , 1

* 04 , 0

345,01Chọn kiểu bố trí ống truyền nhiệt theohình lục giác đều

Dựa vào bảng V.11_Tr48_STQTTB 2 ta chọn số ống truyền nhiệt theo quy chuẩn là

n= 367 ống

Cách bố trí ống :

_ Số hình 6 cạnh : 10

_ Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: 21

_ Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân: 331

_ Số ống trong các hình viên phân:

+ Ở dãy thứ nhất: 6

+ Tổng số ống trong tất cả các viên phân: 36

2)

Đường kính của buồng đốt:

Ta có: Công thức tính đường kính trong của buồng đốt là:

Dt = t*(b-1) + 4*d (m) ( V.140_Tr 49_STQTTB 2)

Trong đó :

b: Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh

d: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

t: Bước ống ; chọn t = 1,3d0

Với d là đường kính ống truyền nhiệt trong buồng đốt

d0=0,04 (m) thì t = 1,3* 0,04 = 0,052 (m)

Chọn bề dày ống truyền nhiệt δ

=4mm =0,004 m

⇒

d = d0 + 2*δ

= 0,04 +2* 0,004 = 0,048 m = 48 (mm)Theo cách phân bố thì ta có b= 21

Dt= 0,052*(21-1)+ 4*0,048 = 1,232 (m)

Chọn đường kính trong củabuồng đốt theo qui chuẩn: Dt= 1,3 m

* Tính bề dày của buồng đốt:

Vật liệu dùng để chế tạo buồng đốt thường sử dụng thép chịu nhiệt CT3

Dựa vào công thức XIII.8_Tr 360_STQTTB 2 ta có bề dày của thân buồng đốt là:

p D

−

=

ϕ δ 2

*

(m) (XIII.8_Tr 360_STQTTB 2)Trong đó:

Dt: Đường kính trong của buồng đốt

[ ]δ

:Ứng suất cho phép

ϕ

: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

P : Áp suất trong thiết bị

C : Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày

: Bao gồm ứng suất khi kéo [ ]δk

và ứng suất cho phép theo giới hạn dòng chảy [ ]δc

_ Ứng suất kéo:

[ ]δ δ * η

k

k k

n

=

(N/m2) (XIII.1_Tr 355_STQTTB 2)Với η

là hệ số hiệu chỉnh; Dựa vào bảng XIII.2_Tr 356_STQTTB 2, chọn η

= 0,9

nk là hệ số an toàn theo giới hạn bền; Dựa vào bảng XIII.3_Tr

10

* 380

n

= 131,5385*106 (N/m2)_Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy:

c

c c

n

=

(N/m2) (XIII.2_Tr 355_STQTTB 2)

= 0,9 Dựa vào bảng XIII.2_Tr 356_STQTTB 2

nc= 1,5 (nc là hệ số an toàn theo giới hạn chảy)

Dựa vào bảng XIII.3_Tr 356_STQTTB2

10

* 240

n

= 144*106 (N/m2)Ứng suất cho phép sẽ lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điều kiện bền

Hay [ ]δ

= 131,5383*106 (N/m2)

* Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ độ bào mòn, và dung sai của chiều dày Đại lượng C được xác định theo công thức sau: