nghiên cứu về thiết bị ngưng tụ baroomet

Trong đồ án này , yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung Quá trình cô đặc khác quá trình chng c

Trong đồ án này , yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung

Quá trình cô đặc khác quá trình chng cất ở chỗ : trong qúa trình chng cất cả 2 cấu tử đều bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp

Hơi của dung môi đợc tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi phụ, hơi phụ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đốt nóng một thiết bị khác, trong trờng hợp này ta gọi hơi phụ là hơi thứ

đợc sử dụng khá phổ biến Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trớc sang nồi sau do chênh lẹch áp suất giữa các mồi Nhợc điểm của nó là nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhng nồng độ lại lớn hơn nồi trớc nên độ nhớt cua dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu

đến nồi cuối

Đề tài thiết kế :

Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiềuloại phòng đốt trong dung dịch NaN03

Nồng độ đầu của dung dịch : xd = 12 %

Độ chân không thiết bị ngng tụ : Pck = 0,8 (at)

II.Sơ đồ - mô tả dây truyền sản xuất

Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều làm việc liên tục:

chứa (3), sau đó chảy qua lu lợng kế (6) vào thiết bị trao đổi nhiệt (7).ở thiết

bị trao đổi nhiệt dung dịch đợc đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sổiôì đi vào nồi (1) ở nồi (1),dung dịch tiêp tục đợc đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt,hơi đốt đợc đa vào buồng

đốt để đun nóngdung dịch và một phần khí không ngng đợc đa qua cửa tháo khí không ngng Nớc ngng đợc đa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nớc ngng, Dung dịch sôi dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, Hơi thứ trớc khi ra khỏi nồi cô đặc đợc đa qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt Dung dịch từ nồi 1 tự di chuyển sang nồi 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc gtữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trớc.Nhiệt độ của nồi trớc lơn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ đợc làm lạnh đi và lợng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lợng nớc gọi là quá trình tự bốc hơi Nhng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần phải tiêu tốn thêm một lợng hơi

để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều ding dịch trớc khi đa vào nồi đầu cần đợc đun nong sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nớc ngng tụ

III- Tính toán thiết bị chính

Các số liệu ban đầu

Năng suất tính theo dung dịch đầu : Gđ = 5000 (kg/h)

Nồng độ đầu của dung dịch : xđ = 12 %

Nồng độ cuối của dung dịch : xc = 40 %

áp suất hơi đốt : p1 = 4 (at)

áp suất hơi ngng tụ : png= 1- Pck = 1-0,8 = 0,2 (at)

III.1- Tổng lợng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống ( W (kg/h))

Công thức: [3-317]

40

12 1 5000

c

d d

III.2- Lợng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi :

Lợng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : W1 (Kg/h )

Giả thiết mức phân phối lợng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là W1:W2 = 1:1,2

Ta có : W = W1+W2

2 , 2

3500 2

, 2

12

5000

x G

x

d

d d

Với nồi 2 : [3-317 ]

12

5000

2 1

=

−

= +

−

=

W W G

x G

x

d

d d

III.4- Chênh lệch áp suất chung của hệ thống (∆p (at))

∆p = p1 png = 4 - 0,2 = 3,8 (at)

III.5- Xác định áp suất , nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi :

Dpi : chênh lệch áp suất trong nồi thứ i (at)

Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là :

2

8 ,

3 ≈ 1,9 (at)

áp suất hơi đốt nồi 1 : p1 = p = 4 (at)

áp suất hơi đốt nồi 2 : p2 = p1 –∆p1 = 4 – 1,9 = 2,1 (at)

Tra bảng I- 251 : Tính chất lý hoá của hơi nớc bão hoà phụ thuộc áp suất trang

r2 = 2204 103 J/kg

png = 0,2 (at) tng = 59,7 0C

III.6- Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi :

Chọn tổn thất nhiệt độ do trở lực đờng ống cho nồi 1:

III.7- Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi :

• Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh tăng cao ∆ i”

ptb: áp suất ở giữa ống truyền nhiệt : [3-283]

h0 : chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt

thoáng dung dịch , lấy ho =1 m

ρ: khối lợng riêng dung dịch ở nhiệt độ sôi (kg/m3)

81 , 9 10 126 , 1 2

4 1 2

1 155 ,

81 , 9 10 3175 , 1 2

4 1 2

1 21 ,

r

T s

∆ kq1’ (o C) (7)Trong đó :

∆ kq1’ : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở nồng độ x=17,47% và áp suất khí quyển

Ts1 =119,8+ 273 = 392,8 oK

r1 = 2202,06.103 (J/kg)

Tra bảng VI 2 [2-58]

D ’ = 2,24 oC

Thay vào ta có :

10 06 , 2202

8 , 392 2

,

2

= 2,54 (o C)Tơng tự , đối với nồi 2

7 , 333 2

=

2

1

i ∆i” = 0,2 + 14,4 = 14,6 (o C) ∑

=

2

1

i ∆i”’ = 1 + 1 = 2 (o C) Thay số: ∑

i 1 , i2 : Nhiệt lợng riêng của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 (J/kg)

i 1’ ,i2’ : Nhiệt lợng riêng của hơi thứ đi khỏi nồi 1, nồi 2 (J/kg)

Cnc1 ,Cnc2 : Nhiệt dung riêng của nớc ngng nồi 1,nồi 2 (J/kg.độ)

t s0,ts1 ,ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu , dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2 (oC)

θ 1,θ 2 : Nhiệt độ nớc ngng nồi 1, nồi 2 (oC)

Qm1,Qm2 : Nhiệt mất mát ở nồi 1 , nồi 2 , lấy Qm = 0,05 Q (J)

Nåi 2 : Lîng nhiÖt mang vµo :

Ta cã hÖ ph¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt lîng cho 2 nåi :

Di1 + G®.C0.ts0 = W1.i’1 + (G®-W1).C1.ts1 + D.Cnc1.θ 1 + 0,05.D(i1 - Cnc1 θ

1)

W1.i2+ (G® - W1)C1.ts1 =

95 , 0

) (

) ' (

1 1 1

0 0 1 1 1

1 1 1

θ

nc

s s

d s

C i

t C t C G t C i W

−

− +

−

W2 =

2 2 2

1 1 2 2 1

1 2 2 2 2 2 1

'

) (

] )

.(

95 , 0 [

s

s s

d s s

nc

t C i

t C t C G t C t C C

i W

−

−

−

− +

Cnc1 = 4285,6 (J/kg.độ) Cnc2 = 4239,1 (J/kg.độ)

Đối với dung dịch loãng (x<20%) đợc tính : [1-180]

Co = 4186(1- x) , (J/kg.độ)

Co = 4186.(1- 0,12) = 3683,7 (J/kg.độ)

C1 = 4186.(1- 0,176) = 3349,26 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch NH4NO3 ở nồi 2 (x2= 40%)

Đối với dung dịch đặc (x> 20 %) đợc tính : [1-181]

C = Cht x + 4186.(1 - x) (J/kg.độ)

Trong đó :

Cht là nhiệt dung riêng của chất hoà tan khan (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học : [1-180]

M.Cht = n1.c1+ n2 c2 + + nn cn

M : khối lợng mol của hợp chất

Cht : nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học (J/kg.độ)

n1,n2,n3 : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất

c1, c2,c3 : nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tơng ứng (J/kg.độ)

Điều kiện làm việc:

r i

∆ , (o C)

tm1 = 142,9 -

2

8 , 1

= 142 o C

tm2 = 120,9-

2

38 , 5

= 118,21 0C Tra hệ số A theo nhiệt độ màng [2-29]

tm1 = 141 oC A1 = 194,3

tm2 = 102,9 0C A2 = 187,19

H : chiều cao ống truyền nhiệt : H = 4 m

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi (tra theo nhiệt độ hơi đốt) :

10 ,.

10 4 , 2246

= 6831,5 (W/m2.độ)

Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngng tụ :

q11 = α1i.∆t1i , (W/m2)

q11 = α11.∆t12 = 9256.1,8 =16660 (W /m2)

q12 = α12.∆t12 = 8268,01.4,4 = 36753 (W /m2)

Dung dịch khi sôi ở chế độ sủi bọt , có đối lu tự nhiên Hệ số cấp nhiệt xác

δ : bề dày ống truyền nhiệt : δ = 2.10-3 (m)

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (thép CT3) ;

Thay số ta có :

∑r= 0,387.10-3 + 0,232.10-3 +

5 , 46

10

2 − 3

∑r = 0,6625.10-3 (m2.độ/W)

Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch :

∆t21 = ∆t1 - ∆t11 – q11.∑r = 18,26 – 1,8 – 16660 0,6625.10-3 = 5,42 (oC)

∆t22 = ∆ t2 – ∆ t12 – q12.∑r = 40,6 – 5,38 - 36753 0,6625.10-3 = 10,87 (0C)

Hệ số hiệu chỉnh : [3-224]

435 , 0 2

565 , 0

.

dd nc

dd nc

ρ λ

λ, ρ , à , C tra theo nhiệt độ sôi của dung dịch.

Điều kiện làm việc :

Tra bảng I.120: Hệ số dẫn nhiệt nớc và hơi nớc phụ thuộc nhiệt độ và áp suất [1- 155] λnc1 = 0,68 (W/m.độ)

Cp : nhiệt dung đẳng áp của hỗn hợp (J/kg.độ)

ρ : khối lợng riêng của hỗn hợp (kg/m3)

M : khối lợng mol của hỗn hợp

ε : hệ số tỷ lệ , phụ thuộc tính chất chất lỏng,đối với chất lỏng kết hợp ớc) ε = 3,58.10-8

(n-Khối lợng mol của dung dịch trong nồi 1 (x = 17,7%):

M1 = NNaN03 .MNaN03 + NH2O .MH2O

NNaN03 =

18

4 , 82 85

6 ,

17 85

6 , 17

M1 = 0,0432.80 + (1-0,0432).18 = 20,89

Khối lợng mol của dung dịch trong nồi 2 :

M2 = NNaN03 .MNaN03 + NH2O .MH2O

NNH4NO3 =

18

60 85

1126

= 0,5252 , (W/m.độ)

λdd2 = 3,58.10-8.2993,48 1317,5.3

91 , 26

5 , 1317

= 0,516 , (W/m.độ) Tra bảng I.104 :Độ nhớt của nớc cao hơn 100 0C :

[1-94]

2 1

2 1

θ

θ −

−t t

= K = constTrong đó :

t1 , t2 : nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt à1 , à2

1

θ , θ2 : nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có cùng độ nhớt à 1 , à 2

Với dung dịch NaN03 17,6 % ở nhiệt độ sôi [1-113]

82 , 4 6

,

14

10 20

−

− = 124 t,−6414−,620Rút ra đợc : t = 116,9 oC

222 , 0 4254

26 , 3449 6 , 939

1126

68 , 0

5252 ,

3545 , 0 4 , 4189

48 , 2993 63 , 971

5 , 1317

675 , 0

516 ,

III.11- Xác định hệ số truyền nhiệt :

Tính theo phơng pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau thì hệ số truyền nhiệt đợc suy ra từ công thức V.6 : [2-4]

36753 +

= 36302 , (W/m2)Thay số vào công thức ta có :

K1 =

26 , 18

16344

= 895,07 , (W/m2.độ)

K2 =

6 , 40

36302

= 894,13 , (W/m2.độ) Lợng nhiệt tiêu tốn :

).

( r

W2 2 − G d −W1 C1 t s1−t s2

Q2 =

3600

) 3 , 80 64 , 124 (

26 , 3449 ).

1564 5000

( 10 2357

3 , 1121569

= 1254,36Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức : [3-331]

i i j K Q K

Q

T ( o C)

36 , 1254 82

, 1068

82 , 1068

6 , 40 26 , 18

+

36 , 1254 82

, 1068

36 , 1254

6 , 40 26 , 18

+

III.14- TÝnh bÒ mÆt truyÒn nhiÖt F:

theo ph¬ng thøc bÒ mÆt truyÒn nhiÖt c¸c nåi b»ng nhau :

T K

Q

∆ , (m2)

Nåi 1 : F1 = *

1 1

1

T K

Q

∆ = 895 , 07 20 , 07

73 , 956672

= 39,38 (m2)

Nåi 2 : F2 = *

2 2

2

T K

Q

∆ = 894 , 13 31 , 78

3 , 1121569

VËy chän theo quy chuÈn : F1 = F2 = 40 (m2)

IV - TÝnh thiÕt bÞ phôIV.1- HÖ thèng thiÕt bÞ ngng tô bar«met :

Chän thiÕt bÞ ngng tô trùc tiÕp lo¹i kh« ngîc chiÒu ch©n cao

Nguyên lý làm việc của thiết bị baromet :

Hơi từ nồi cô đặc đi vào thiết bị ngng tụ từ phía dới lên , nớc làm lạnh chảy

từ trên xuống , chảy tràn qua gờ của tấm ngăn và đồng thời chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợp nớc làm nguội và chất lỏng đã ngng tụ chảy xuống ống baromet và đi xuống bể chứa Khí không ngng đi lên qua ống (5)sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống baromet khí không ngng (hoặc không khí )đợc hút ra qua phía trên bằng bơm chân không đi ra ngoài

IV.2- Tính toán hệ thiết bị ngng tụ :

Thiết bị ngng tụ Barômét

Các số liệu:

áp suất ở thiết bị ngng tụ : png = 0,2 (at)

c nc t t C

t C i

tđ , tc : nhiệt độ đầu , cuối của nớc lạnh, chọn tđ = 20oC ; tc = 50oC

Cnc : nhiệt dung riêng trung bình của nớc , ở nhiệt độ trung bình

10 9 , 4180

50 9 , 4180 10

2609

1936

Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngng tụ :Theo công thức [2-85]:

f =

c n

ωc : tốc độ tia nớc , lấy ω c= 0,62 m/s khi chiều cao của gờ tấm ngăn là 40 (mm)

f

)0 , 5 + dlỗ (mm) Với: dlỗ : đờng kính của lỗ (mm)

tb f

f

: tỉ số giữa tổng diện tích thiết diện các lỗ với diện tích thiết

diện của thiết bị ngng tụ Chọn

tb f

d c t t

t t

tbh : nhiệt độ của hơi bão hòa ngng tụ ,ứng với png= 0,18 (at) có tbh = 59,7

Thời gian rơi qua 1 bậc(s)

Mức độ

đun nóng

Đờng kínhcủa tia nớc(mm)

Ta có chiều cao của thiết bị ngng tụ : H = 8.400 = 3200(mm)

Thực tế , khi hơi đi trong thiết bị ngng tụ từ dới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần , do đó ta lấy khoảng cách giữa các ngăn giảm dần từ dới lên trên khoảng

50 mm cho mỗi ngăn

Khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 400 mm , ta chọn khoảng cách giữa

2 ngăn dới cùng là 450 mm Vậy chiều cao thực tế của thiết bị ngng tụ là H’

) (

) 1936 37644

thiết bị ngng tụ và áp suất khí quyển) tính theo công thức:

h1 = 10,33 p ck

(m)

pck là độ chân không trong thiết bị ngng tụ : pck = 760 – 735,6.png

Vậy : h1 = 10,33

760

59 , 627

= 8,33 (m)

chảy trong ống, tính theo [2-87] :

ρ

ω.d.

trong đó : ω -vận tốc dòng : ω= 0,5 m/s l~d -kích thớc hình học : d = 0,167(m)

ρtb -Khối lợng riêng của lỏng tại nhiệt độ trung bình

1000 167 , 0 5 , 0

10 19 , 120

3164 , 0

= 0,0169

Vậy : h2 =

81 , 9 2

5 ,

kk kk

p p

t G

35 , 20 288

−

+

= 0,03 , (m3/s)

IV.4 Những kích thớc cơ bản của thiết bị ngng tụ barômet

Đờng kính trong của thiết bị ngng tụ : Dtr = 500 mmChiều dày của thành thiết bị : S = 5 mmKhoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị : a = 1300 mmKhoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy : P = 1200 mm

a3 = 320 mm a4 = 360 mm a5 = 390 mm

Đờng kính các cửa ra vào : Hơi vào : d1 = 350 mm Nớc vào : d2 = 100 mmHỗn hợp khí và hơi ra : d3 = 80 mmNối với ống barômet : d4 = 125 mmHỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi : d5 = 80 mmHỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi : d6 = 50 mmNối từ thiết bị thu hồi đến ống barômet : d7 = 50 mmống thông khí : d8 = - mm

V- Tính toán cơ khí

Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm (thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm,các ống đợc xắp xếp theo hình lục giác )

F

.

)%

18 100

.(

π

−

, (ống) Trong đó :

Số ống trong các hình viên phân

Tổng sốống trong tất cả các hình viên phân

Tổng

số ống của thiếtbị

ở dãythứ nhất

ở dãy thứ hai

ở dãy thứba

sin 4

,

0

n th

l

F d

β ψ

l: chiều dài ống truyền nhiệt : l = 4(m)

sin; = sin600 (xếp theo hình lục giác)

dn : đờng kính ngoài của ống truyền nhiệt (m) : dn = 0.038 (m)

038

018 , 0 4

4 '

=

= π

S

(m) Quy chuẩn : dth = 0,2 (m)

Thay số ta đợc:

2

) 038 , 0 4 , 1 2 30 , 0 ( 4

9 , 0

43 , 43 866 , 0 038 , 0 4 , 1

Thiết bị làm việc ở điều kiện áp suất thấp (< 1,6.106 N/m2)

Nhiệt độ thành thiết bị lấy bằng nhiệt độ môi trờng đối với thiết bị không bị

ứng suất cho phép của thép CT3: [2-355]

Theo giới hạn chảy : [σc] = σ η

η = 1,0

Ta có ứng suất cho phép của thép CT3là :

Theo giới hạn chảy : [σc] = 6 1 , 0 160 10 6

5 , 1

10 240

Theo giới hạn kéo : [σk] = 6 1 , 0 146 10 6

6 , 2

10

ứng suất cho phép cuả vật liệu : σb = Min { [ ]σc ,[ ]σk } =[ ]σk = 146.106 (N/m2)

Đối với thiết bị vỏ mỏng :

Chiều dày phòng đốt xác định : [2-360]

p

p D

b b

b

tr +

− ϕ

2

.

, (m) Trong đó :

Dtr : đờng kính trong phòng đốt ; Dtr= 0,7 (m)

b

σ : ứng suất cho phép của vật liệu , σb= 146.106 (N/m2)

Dtr≥700 mm , thép CT3 chọn ϕ = 0,95.

C là tổng các hệ số: hệ số bổ sung ăn mòn (C1), bào mòn (C2) và dung sai âm

10 146

2

10 0,7.3,924.

Quy chuẩn theo (2-364): S = 5 (mm)

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử :

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử po : (2-365)

2

. 0

C S

p C S

D tr

−

− +

2 , 1

c

σ , (N/m2)

áp suất thử tính theo bảng XIII.5 : (2-358)

p0 = 1,5.p = 1,5.3,924.105 = 5,886.105 (N/m2)

0 73 , 108 95

, 0 10 3 5

.

2

10 886 , 5 10 3 5

10 240 2 ,

C

] [

25 , 0

.

.

) (

.

0 o o o o

v v

v

S d S n

E

S D S

p : áp suất trong thiết bị ( phòng đốt) P = 3,924.105 (N/ m2 )

Ev : là mô đun đàn hồi của vỏ ống ở 142,9 oC

Eo : là mô đun đàn hồi của vĩ ống ở nhiệt độ làm việc

Do chọn cùng một vật liệu nhiệt độ chênh lệch nhau không đáng kể

D : đờng kính ngoài của vỏ D = 0,710 m

Dt : đờng kính trong thiết bị Dt = 0,7 m

) 002 , 0 038 , 0 ( 002 , 0

.

91

) 005 , 0 710 , 0 ( 005

569 , 0

= +

10 200

10 24 , 39 25 , 0 7 , 0 39 ,

d

0 0

0 0 , 025 925

, 0

− +

Thay số vào ta có S’

min > 0,9250,038.0,038−0,+0340,025 = 15 ( mm)

Để thõa mãn điều kiện trên S’ = 2 cm

Chiều dày đáy lồi phòng đốt :

Chọn đáy elip có gờ Làm bằng vật liệu thép CT3