đồ án quá trình thiết bị thiết kế thiết bị cô đặc ba nồi xuôi chiều dung dịch nước mía

Đồ án Quá trình Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên khoa Kỹ Thuật Hoá Học nắm vững kiến thức đã học; tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình các thiết bị với 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 ngành công nghiệp hóa chất cơ bản cũng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày càng phong phú. Trên cơ sở đó, quy trình sản xuất luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn.Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất. Để sản xuất dung dịch đường có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều năng lượng cho quá trình cô đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch). Việc tiết kiệm năng lượng cho quá trình này được quan tâm hàng đầu. Với mục tiêu đó, đồ án này thực hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường ba nồi xuôi chiều. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Hiểu đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình em thực hiện đồ án. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trong bộ môn cũng như 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 nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn.

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Khoa Kỹ Thuật Hoá Học

Bộ Môn : Quá Trình & Thiết Bị

- -Đồ Án Môn Học QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Họ & Tên SV: ĐẶNG MINH VƯƠNG MSSV: 0952010211

NGUYỄN HỮU VƯƠNG MSSV: 0952010212 Lớp : DH09H2

2 Nồng độ đầu : 11% khối lượng

3 Nồng độ cuối :65% khối lượng

4 Áp suất hơi đốt P1 = 12 at

5 Áp suất của hơi ngưng tụ Png = 0,2 at

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 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 A3

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 HoáHọc nắm vững kiến thức đã học; tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựachọn quy trình & các thiết bị với số liệu cụ thể Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàngnắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanhchóng, phục vụ cho công việc sau này.

Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng Do

đó ngành công nghiệp hóa chất cơ bản cũng phát triển không ngừng, nhu cầu về sảnphẩm ngày càng phong phú Trên cơ sở đó, quy trình sản xuất luôn được cải tiến vàđổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn.Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả nănglượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất

Để sản xuất dung dịch đường có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều năng lượngcho quá trình cô đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch) Việc tiết kiệm nănglượng cho quá trình này được quan tâm hàng đầu Với mục tiêu đó, đồ án này thựchiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường ba nồi xuôi chiều

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Hiểu đã chỉ dẫn tận tình trongquá trình em thực hiện đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy côkhác trong bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ íchtrong 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 nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉdẫn của quý thầy cô và các bạn

LỜI NÓI ĐẦU

Đầu đề đồ án -1

Lời nói đầu -3

Mục lục -4

Phần 1: GIỚI THIỆU -6

1.1 Sơ lược về nước mía 6

1.2 Tổng quan về đường sucrose 6

1.3 Giới thiệu sơ lược về lý thuyết cô đặc và thiết bị cô đặc 7

1.3.1 Giới thiệu chung về cô đặc 7

1.3.2 Phân loại 8

1.3.3 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm 9

1.3.4 Thiết bị cô đặc chân không nhiều nồi liên tục 10

Phần 2: THIẾT BỊ CHÍNH -11

2.1 Cân bằng vật liệu 11

2.1.1 Lượng hơi nước bốc ra của cả hệ thống 11

2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi 11

2.1.3.Tính nồng độ của dung dich trong từng nồi 11

2.2 Cân bằng nhiệt lượng 12

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi 12

2.2.2 Xác định tổn thất nhiệt độ tăng cao ∆ 13

2.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆thi và nhiệt độ sôi dung dịch 16

2.2.4 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi thứ W’i cho từng nồi và lượng hơi đốt cần dùng 18

2.3.Tính bề mặt truyền nhiệt 21

2.3.1 Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp 21

2.3.2 Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 21

2.4 Kích thước buồng đốt 25

2.4.1 Số ống truyền nhiệt 25

MỤC LỤC

2.4.2 Đương kính trong buồng đốt 26

2.5 Kích thước buồng bốc 26

2.6 Đường kính các ống dẫn 27

2.6.1 Đối với dung dịch và nước ngưng 27

2.6.2 Đối với hơi bão hòa 27

Phần 3: THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET -29

3.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 29

3.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần rút ra khỏi Baromet 29

3.3 Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ 29

3.3.1 Đường kính trong 29

3.3.2 Đường kính tấm ngăn 30

3.3.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 31

3.3.4 Kích thước ống Baromet 32

Phần 4: TÍNH CƠ KHÍ -34

4.1 Chiều dày thiết bị 34

4.1.1 Nồi 1 34

4.1.2 Nồi 2 42

4.1.3 Nồi 3 48

4.2 Vỉ ống 54

4.3 Hệ thống tai đỡ 55

4.3.1 Khối lượng thép làm ống truyền nhiệt nhiệt 55

4.3.2 Khối lượng thép 55

4.3.3 Khối lượng nước 57

4.4 Mặc bích 58

4.4.1 Để nối các ống dẫn 58

4.4.2 Để nối các bộ phận của thiết bị 59

4.5 Bơm 62

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

QUY ƯỚC KÝ HIỆU 66

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU

1.1.SƠ LƯỢC VỀ NƯỚC MÍA:

Nguyên liệu cho quá trình cô đặc là nước mía đã làm sạch, loại bỏ tạp chất, tẩymàu,tẩy mùi Sau công đoạn làm sạch nước mía có PH từ 6,5-6,8

Thành phần chủ yếu của nước mía là đường saccharose, một phần nhỏ làđường đơn( glucose và fructose……) và một số chất hữu cơ, vô cơ khác( axit amin,HNO3, NH3, protein…)

Do có hàm lượng đường cao nên nước mía là môi trường thuận lợi cho các visinh vật phát triển nên trong quá trình chế biến đường, nước mía phải được chứađựng, vận chuyển, xử lý trong các thiết bị kín, liên tục

1.2TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE

Sucrose haysaccharose thuộc loại đường rất phổ biến trong thiên nhiên Nó cónhiều trong củ cải đường, trong mía và ở lá, thân, rễ, quả của nhiều loài thực vật.Trong công nghiệp sản xuất đường, người ta dùng nguyên liệu là củ cải đường hoặcmía, vì nó có thể chứa từ 20 – 25% đường saccharose.Saccharose là đường dễ hòa tan,

nó có ý nghĩa rất quan trọng đối với dinh dưỡng của người.Saccharose là loạisaccharid cấu tạo từ glucose và fructose.Hai monosaccharose này liên kết với nhaunhờ liên kết OH glucosid của chúng nên saccharose không có tính khử.Khi thủy phânbằng acid hoặc enzyme invertase, sẽ giải phóng glucose và fructose.Trong phân tửsaccharose, gốc glucose ở dạng pyranose, còn gốc fructose ở dạng furanose, liên kếtnày xảy ra ở C1 của glucose và C2 của fructose

Do đó, saccharose còn gọi là α, D – glucopyranosid (12) β, D – fructofuranosid

Glucose Fructose

Hình 1.1 công thức cấu tạo của Saccharose

Tinh thể đường sucrose trong suốt, không màu, nhiệt độ nóng chảy là 186 –

1880C.Nếu ta đưa từ từ đến nhiệt độ nóng chảy, đường biến thành 1 dạng sệt trongsuốt Nếu kéo dài thời gian đun hoặc đun ở nhiệt độ cao, đường sẽ mất nước rồiphân huỷ và biến thành caramen Đường dễ hoà tan trong nước, không tan trong dầuhoả, cloroform, benzen, ancol… Độ nhớt của dung dịch đường tăng theo chiều tăngnồng độ và giảm theo chiều tăng nhiệt độ

Do dung dịch đường sucrose không chịu được nhiệt độ cao (chất tan dễ bịbiến tính) nên đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặtthoáng thấp hay thường gọi là áp suất chân không

1.3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1.3.1 Giới thiệu chungvề cô đặc

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên

Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thựcphẩm như cô đặc muối, đường, sữa …

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đểđun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc gọi là hơi phụ

Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khitruyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyềnnhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng

Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suấtthường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc ápsuất dư) thì dùng thiết bị kín.Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạntrong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi

Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơithứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt)

Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trướclàm hơi đốt cho nồi sau

1.3.2 Phân loại

 Theo đặc điểm cấu tạođược chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây:

- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên

+ Loại 1: Có buồng đốt trong, có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn

ngoài

+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)

+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài

+ Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài

- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng

+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốttrong hay ngoài

+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài

 Theo phương pháp thực hiệnđược chia làm 3 loại như sau:

- 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 đạt năng suất cực đại và thời

gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao.

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 1000C, áp suất chânkhông 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

làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả haiphương pháp.Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quảkinh tế

Cô đặc liên tục thì cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn

1.3.3 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

Dung dịch ở phòng đốt đi trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài

ống Khi làm việc, dung dịch ở trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi –lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trongống tuần hoàn thể tích của dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn sovới ống truyền nhiệt, do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy, khối lượng riêngcủa hỗn hợp hơi – lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuốngdưới Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trongống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn

Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và làmgiảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt

Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi

nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra

1.3.3.3.Ưu và nhược điểm

+ Dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng

- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn trung tâm

cũng bị đun nóng

1.3.4 Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi liên tục

Trong thực tế sản xuất khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lênnồng độ khá đặc thì người ta hay dùng các hệ cô đặc nhiều nồi công nghiệp thôngdụng: hệ xuôi chiều và ngược chiều

Hệ xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính vìnhiệt độ cao như dung dịch nước đường hay dung dịch nước trái cây, thực phẩm Vìtrong hệ xuôi chiều các nồi đầu có áp suất và nhiệt độ cao hơn các nồi sau nên sảnphẩm được hình thành ở các nồi có nhiệt độ thấp nhất

Hệ ngược chiều thích hợp cô đặc các dung dịch vô cơ không bị biến tính vìnhiệt độ cao

Dùng hệ thống cô đặc chân không nhằm hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch đểgiữ được chất lượng của sản phẩm và chất lượng quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị,đảm bảo lượng vitamin…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxi

Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ CHÍNH

Các số liệu ban đầu của bài:

Năng suất tính theo dung dịch đầu Gd = 2500 kg/h

Nồng độ dung dịch đầu xd = 11% khối lượng

Nồng độ dung dịch cuối xc = 65% khối lượng

Áp suất hơi đốt P1 = 12 at

Áp suất của hơi ngưng tụ Png = 0,2 at

2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi

Gọi W1, W2, W3 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 kg/h.Giả sử lượng hơi thứ bốc ra giữa các nồi là: W1: W2: W3 = 1,0 : 1,1 : 1,2

G1, G2 ,G3 lần lượt là khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1,nồi 2 và nồi 3 trong 1giờ (kg/h)

x1, x2 x3 :lần lượt là nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (% khốilượng)

2.2 Cân bằng nhiệt lượng

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi

+ Chọn áp suất hơi đốt Phd1 =12 at ứng với nhiệt độ hơi đốt Thd1 = 187,10C

Hiệu số áp suất của cả hệ thống

∆P = Phd1 – Png = 12 – 0,2 = 11,8 (at)

Giả thiết phân bố hiệu số áp suất giữa các nồi là: ∆P1 : ∆P2 :∆P3 = 3 : 1,75 : 1

Với giả thiết trên ta có:

2.2.2.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao (∆ ’ )

Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisencô:

Δ’= Δ ’ f (0C) với : f = 16,2 T 2 /r [AII – 59] – (VI.10)

Trong đó:

Δ0’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường

f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác áp suất thường

r :ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc [B-39]

Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc ( = nhiệt độ hơi thứ) Dựa vào các dữ kiện trên và sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2 taxác định được tổn thất do nhiệt độ nâng cao

Bảng 2.2 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao Đại

Hình 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc

1 –2: Nhiệt độ hơi đốt

3: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt

4: Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch

5 – 6: Nhiệt độ sôi của dung dịch và của hơi thứ ngay trên mặt thoáng

7: Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ

Áp suất hơi thứ dung dịch thay đổi theo chiều sâu của dung dịch: Ở trên bề mặtdung dịch thì bằng áp suất hơi trong buồng bốc, còn ở đáy thì bằng áp suất trên bềmặt cộng với áp suất thủy tĩnh của dung dịch kể từ đáy ống Trong tính toán tathường tính theo áp suất trung bình của dung dịch

Ptb= P’ + ∆P, N/m2

∆P = (h1 + h2

2)*ρs * g, N/m2

∆” = T – T , 0C

Với: P’: áp suất hơi trên bề mặt dung dịch ( = áp suất hơi thứ) , N/m2.

ΔP : áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống , N/m2

h1 : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặtthoáng của dung dịch, m

h2 : chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt, m

ρs : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

Chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt: h2 = 4 m

Tổng tổn thất do áp suất thủy tỉnh tăng cao

2.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn ∆”’

Thường chấp nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang

nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là: ∆”’ = 1 ÷ 1,50C

Chọn: Δ1’’’ = Δ2’’’ = ∆3”’=10C

2.2.2.4 Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc å∆

å∆ = ∆’ + ∆” + ∆”’

= 3,94 + 17,3752 + 3 = 24,3152(0C)

2.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆t hi và nhiệt độ sôi dung dịch

Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trungbình của dung dịch

2.2.3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch ở mỗi nồi

Ts1 = Tht1 + ∆1’ + ∆1”

= 158,0038 + 0,3 + 1,2712 = 159,575(0C)

Ts2 = Tht2 + ∆2’ + ∆2”

= 123,9516 + 0,36 + 2,7352

= 127,0468 (0C)

Ts3 = Tht3 + ∆3’ + ∆3”

C2 = 0,2334> 0,2 nên C2 được tính như sau:

+ Không lấy hơi phụ (toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2)

+ Không có tổn thất nhiệt ra môi trường

+ Bỏ qua nhiệt cô đặc (hay nhiệt khử nước)

Chọn nhiệt độ tham chiếu là 00C

Phương trình cân bằng năng lượng:

- Nồi 1: D(iđ – Cn1θ1) = G1C1Ts1 – GđCđTđ + W1i1(a)

- Nồi 2: W1(i1 – Cn2θ2) = G2C2Ts2 – G1C1Ts1 + W2i2 (b)

- Nồi 3: W2 (i2 – Cn3θ3) = G3C3Ts3 – G2C2Ts2 + W3i3 (c)

Trong đó:

D : khối lượng hơi đốt cho hệ thống trong 1 giờ, kg/h

W1, W2, W3 : khối lượng hơi thứ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 trong 1 giờ, kg/h

Gđ, G1, G2, G3 : khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏinồi 3 trong 1 giờ, kg/h

Cđ, C1, C2, C3 : nhiệt dung riêng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và rakhỏi nồi 3, J/kg.độ

Tđ, Ts1, Ts2, Ts3 : nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏinồi 3, 0C

iđ, i1, i2, i3 : enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2 và hơi thứ nồi 3,J/kg

Cn1, Cn2 : nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nước ngưng nồi 2 và nước ngưng nồi

- C n được tra từ (http://www.rpaulsingh.com/teaching/Properties.htm) dựa vào

nhiệt độ hơi đốt

- i = r do hơi đốt là hơi nước bão hòa và tra từ [B – 39] - (II-7) theo nhiệt độ dung dịch tương ứng.

- Tdd là nhiệt độ của dung dịch tương ứng, 0C.

Thay các số liệu trong bảng 4 vào 2 phương trình cân bằng năng lượng (a) và (b)trên Giải hệ phương trình (a), (b), (c) và (d) ta được:

→ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là: W1 = 640,25(kg/h)

→ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là: W2 = 701,2(kg/h)

→ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 3 là: W3 = 735,47 (kg/h)

→ Lượng hơi đốt tiêu tốn chung là: D = 804,8(kg/h)

2.2.4.2 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi

Công thức so sánh:

W L−W n

W L ∗100 %<5 %Trong đó:

WL: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị lớn

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

D: lượng hơi đốt cho mỗi nồi, kg/h

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt mỗi nồi, J/kg

Bảng 2.5 Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp Nồi D (kg/h) T hd ( 0 C) r (J/kg) Q (W)

qtb : nhiệt tải riêng trung bình, W/m2

Δthi : hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết, 0C

2.3.2.1 Nhiệt tải riêng trung bình

qtb =

q1+ q2

2 , W/m2

q: nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt, W/m2

q1: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m2

q2: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2

tbh: nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt, 0C

Ts: nhiệt độ sôi dung dịch, 0C

tw1, tw2: nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, 0C

q2 = α2*Δt2

Theo lý thuyết q = q1 = q2

Do chưa có các giá trị hiệu số nhiệt độ ta phải giả sử Δt1để tính nhiệt tải riêng, sau

đó kiểm tra lại bằng cách so sánh q1 và q2 Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn 5% thì chấpnhận giả thiết

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt bằng thép CT3, tra bảng [AII – 313] – (VII.7) tađược: λ = 50 W/m*độ

2.3.2.3.Hệ số cấp nhiệt α 1 , α 2

a α 1 : hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m 2 độ

Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng)

trên bề mặt đứng, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

A : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng Tm [AII – 28] – (V.101)

Tm = 0,5(tbh + tw1)

tw1 : nhiệt độ bề mặt ống đốt phía hơi ngưng tụ, 0C

tbh : nhiệt độ hơi bão hòa dùng làm hơi đốt ( nhiệt độ hơi đốt), 0C

Δt1 = tbh – tw1

H : chiều cao ống, m

Bảng 2.6 Nhiệt tải riêng q 1 phía hơi ngưng

b α 2 : hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m 2 độ

Trường hợp dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong

ống thì hệ số cấp nhiệt được tính theo hệ số cấp nhiệt của nước αn theo công thức:

ρ: khối lượng riêng, kg/m3

C: nhiệt dung riêng, J/kg*độ

p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (= áp suất hơi thứ), at

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

λdd = (326,775 + 1,0412T – 0,00331T2)*(0,796 + 0,009346* %H2O)*10-3

T: nhiệt độ sôi dung dịch, K

Do qw = q1→ Δtw = tw1 - tw2 = qw*Σr = q1*Σr

Từ Δtw ta suy ra được Δt2 và tính được αn:

Bảng 2.7 Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi Nồi P (at) Δt w ( 0 C) t w2 ( 0 C) Δt 2 ( 0 C) α n (W/m 2 độ )

ρ (kg/m 3 )

C (J/kg * độ)

μ (Ns/m 2 )

Ta tính được hệ số truyền nhiệt K và kiểm tra lại hiệu số nhiệt độ hữu ích

2.3.2.4.Hiệu số hữu ích thực tế của mỗi nồi

Δthi(lớn): Hiệu số hiệu ích có giá trị lớn

Δthi(nho): Hiệu số hiệu ích có giá trị nhỏ

Nếu sai số > 5% thì phải giả thiết lại phân phối hiệu số áp suất giữa các nồi và tínhlại từ đầu

Bảng 2.9 Hiệu số nhiệt độ hữu ích Nồi q tb (W/m 2 ) ∆t hi ( 0 C) K (W/

m 2 độ)

Q (W) Q/K ∆t hi * ( 0 C) So sánh

với ∆t hi

Vậy chọn bố trí ống theo hình lục giác đều, xếp đều các hình viên phân.

2.4.2 Đường kính trong buồng đốt

Bố trí ống theo hình lục giác đều, đường kính trong buồng đốt được tính theo côngthức:

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

Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tíchhơinước bốc hơi trên 1 đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trong 1 đơn vịthờigian), m3/m3

*h

Ở áp suất thường Utt = 1600 ÷1700 m3/m3h , áp suất hơi thứ có ảnh hưởngđáng kểđến Utt Tuy nhiên không có số liệu hiệu chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 1 atmnên có thểchọn Utt = 1600 m3/m3

*h

ρh: khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3

Hkgh: chiều cao không gian hơi, m

Bảng 2.11 Kích thước buồng bốc Nồi T ht ( 0 C) P ht (at) ρ h (kg/

Vs: lưu lượng khí (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m3/s

ω: tốc độ thích hợp của (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m/s

2.6.1 Đối với dung dịch và nước ngưng

Vs=

G

ρ , m3/s

G: khối luợng dung dịch, nước ngưng đi trong ống, kg/s

ρ: khối lượng riêng dung dịch, nước ngưng ở nhiệt độ tương ứng, kg/m3

ω trong khoảng 0,5 ÷1 m/s

2.6.2 Đối với hơi bão hòa

Vs = G.v”, m3/s

G: khối lượng hơi đi trong ống, kg/s

v”: thể tích riêng của hơi ở nhiệt độ tương ứng, m3/kg

ω trong khoảng 20 ÷ 40 m/s

Bảng 2.12 Kích thước các ống dẫn G

(kg/h)

ρ dd (kg/

m 3)

v ” hơi

0,00015 5

CHƯƠNG 3 Thiết Bị Phụ - Thiết Bị Ngưng Tụ Baromet

3.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ

Gn= W (i−C C n t 2 c)

n¿ ¿ , kg/s [AII – 84] – (VI.51)

Gn: Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, kg/s

W: Lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s

i : Hàm nhiệt của hơi ngưng, J/kg

t2d, t2c: Nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, 0C

Cn: Nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ

*(0,2098 + 13,1 ) + 0,010,2098= 2,43210-3 (kg/s)

 Vk = G p k

k = 2,432.10−3

1,25 = 0,0020 (m3/s)

3.3 Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ

3.3.1 Đường kính trong

Dba = 1,383*√p W h ω h, mW: lượng hơi ngưng tụ, W = 0,031

p h: khối lượng riêng của hơi ngưng tụ p h = 0,1301 ( kg/m3)

ω h : tốc độ của hơi đi trong thiết bị ngưng tụ, m/s, ω h = 55 (m/s)

 Dba = 1,383*√p W h ω h = 1,383*√0,1301550,31 = 0,2619 (m)

Dựa vào dãy đường kính chuẩn của thiết bị ngưng tụ [AII – 88] – (VI.8) chọnDba =0,5 m = 500 mm

3.3.2 Kích thước tấm ngăn

- Tấm ngăn có dạng hình viên phân, để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn

b có thể được xác định như sau:

Với G n: lưu lượng hơi nước, m3/s

Ở nhiệt độ trung bình 350C, khối lượng riêng của nước là 994 kg/m3

3.3.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ

Mức độ đun nóng được xác định theo công thức:

- Khoảng cách trung bình giữa các ngăn: 300 mm

Tra bảng [AII -88] - (VI.8) với đường kính trong Dba = 500 mm ta có nhữngkích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet như sau:

Bảng 3.1 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet

Các thành phần của thiết bị ngưng tụ Kích thước

Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị a = 1.300 mmKhoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy P = 1.200 mm

1 = 400 mmChiều cao thiết bị hu hồi h = 1.440 mm

Đường kính các cửa ra và vào:

5 = 80 mmHỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi d

6 = 50 mmNối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet d

7 = 50 mm

3.3.4 Kích thước ống Baromet

3.3.4.1 Đường kính trong

dba = √0,004(G n+W )

W: lượng hơi ngưng, W = 0,031 kg/s

Gn: lượng hơi nước lạnh tưới vào tháp, Gn = 13,1 kg/s

ω : tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s;thường lấy ω = 0,5 m/s

dba = √0,004(G n+W )

ω = √0,004(15+0,031)0,5 = 0,182 m = 182 mmChọn đường kính chuẩn của ống baromet là 182mm và chiều dày là 2 mm

3.3.4.2 Chiều cao ống Baromet

H = h1 + h1 + 0,5 (1)Trong đó:

h1: chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số áp suấttrong thiết bị ngưng tụ và khí quyển

h2: chiều cao cột nước trong ống Baromet cần thiết để khắc phục trở lực khinước chảy trong ống (m)

h1 = 10,33 *( P0

760) , m [AII – 86] – (VI.59)Với P0 là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ, mmHg; P0 =( 1–Png).760, mmHg

 P0 = (1 – 0,2) *760 = 608 (mmHg)

 h1 = 10,33 *( P0

760)= 10,33 *(608760) = 8,264 (m)