Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3

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

Mục lục

Chương I: Tổng quanI.1 Nhiệm vụ đồ án:

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3 với yêu cầu công nghệ như sau:

∗ Năng suất theo nhập liệu: 5500 kg/h

∗ Nồng độ đầu: 8% khối lượng

∗ Nồng độ cuối: 32% khối lượng

I.2 Tính chất về nguyên liệu:

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

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 ởnhiệt độ 30o Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ dưới 22osẽ kết tinhNaNO3

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 haihay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệtsôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) Đó

là các quá trình vật lý - hóa lý

I.3.2 Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụngcủa 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 radạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tínhchất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt

độ cao 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

độ dung 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:

◦ 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 - 3,5m/s tại 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 làmbiến chất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép…

◦ 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 sẽlàm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lựchay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nângcao hiệu 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

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

I.4.2 Lựa chọn thiết bị chính:

Để đạt được nồng độ khi cô đặc NaNO3 cao theo đúng yêu cầu cần phải tiêu tốnmột lượng nhiệt rất lớn Do đó quan tâm đến tiết kiệm năng lượng sẽ đem lại lơi ích kinh

tế lớn.Trong hệ thống cô đặc có nhiều phương án để tiết kiệm năng lượng như:

 Dùng hệ thống cô đặc nhiều nồi, ở đây ta chọn 3 nồi, trong đó hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau Việc trích một phần hơi thứ làm hơi phụ để gia nhiệt dòng nhập liệu cũng là một phương án quan trọng để tiết kiệm lượng hơi đốt

 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)

 Dùng buồng đốt ngoài nằm ngang : mặc dù cồng kềnh, cấu tạo phức tạp nhưng có ưuđiểm là thiết bị được đặt vững vàng, buồng bốc có thể tách ra khỏi buồng đốt dễ dàng đểlàm sạch và sửa chữa,

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

 Sử dụng hệ thống cô đặc 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 không

giảm 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, tốn năng lượng

Chương II: Quy trình công nghệThuyết minh quy trình công nghệ:

- Dung dịch NaNO3 8%, ở 30oC, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đóđưa qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch NaNO3 đi bêntrong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống đến nhiệt độcận sôi

- Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cô đặc thứIII, đây là thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài nằm ngang, dung dịch trong nồi cô đặc sẽchảy vào các ống truyền nhiệt nằm ngang của buồng đốt Hơi đốt là hơi nước bão hòa sẽ

đi bên ngoài ống để gia nhiệt cho dung dịch trong ống nhằm duy trì sự sôi , tuần hoàndung dịch Dung dịch sôi sẽ bay hơi lên, gặp thiết bị tách giọt phía trên buồng bốc sẽ táchlàm 2 dòng Dòng hơi tiếp tục bay lên và được dẫn sang nồi tiếp theo, các giọt lỏng bị lôicuốn theo sẽ được hồi về buồng bốc lại Sự bay hơi liên tục làm dung dịch tăng nồng độlên Tại nồi III, dung dịch được cô đặc đến nồng độ 9,96%

- Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị cô đặc thứ II, tại đây dung dịch sẽ được cô đặcđến nồng độ 14,35%.

- Sau đó dung dịch tiếp tục được bơm qua thiết bị cô đặc thứ I , tại đây dung dịch được côđặc đến nồng độ cuối là 32%

- 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 xả 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 hết phần hơi thứ của nồi III Phần hơi chứa lỏng chư ngưng tụ sẽ được đưa quathiết bị tách lỏng để tiếp tục cho ngưng tụ, phần khí không ngưng sẽ được hút ra ngoàibằng bơm chân không

- Dòng sản phầm được dẫn ra ngoài tiếp tục cho trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu nhằm hạnhiệt độ dòng sản phầm và đun nóng dòng nhập liệu bằng thiết bị trao đổi nhiệt ốngchùm Đây là biện pháp giúp tận dụng nguồn nhiệt từ dòng sản phẩm nóng, tiết kiệmnăng lượng cho hệ thống

Chương III: Cân bằng vật chất & năng lượng

III.1 Dữ kiện ban đầu:

Nồng độ đầu xđ = 8%

Nồng độ cuối xc = 32%

Năng suất nhập liệu Qc = 5500 kg/h

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà có áp suất tuyệt đối là 3,5 at

Áp suất tuyệt đối trong TB ngưng tụ: Pnt = 0,3 at

III.2 Cân bằng vật chất:

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất:

Gd = Gc+W

Gđ.xđ = Gc.xc

G x

G = =1375(kg/h)x

d d c

x 5500.(1 -

8

32 ) = 4125 kg/hW: tổng lượng hơi thứ bốc lên của toàn hệ, kg/h

W1: lượng hơi thứ bốc lên trong nồi 1, kg/h

W2: lượng hơi thứ bốc lên trong nồi 2, kg/h

W3: lượng hơi thứ bốc lên trong nồi 3, kg/h

Gd , Gc : lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h

xd , xc : nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng

Chọn tỷ lệ phân phối hơi thứ:

1 2

1

.W

d d d

G x x

Ứng với áp suất này,nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là 68,7 0C

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

t3 = 68,7 +1=69,7 oC

Ứng với nhiệt độ này, áp suất trong nồi 3 là P3 = 0,33 at

Theo đề bài Phơi đốt =3,5 at

Tổng chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và áp suất hơi thứ nồi 3:

Δp = 3,5 – 0,33 = 3,17 atChênh lệch áp suất trung bình:

Δp 3,17Δp

= 1,057 at

Chênh lệch áp suất làm việc trong mỗi nồi: Δpi = fi.Δp

Kết quả tính toán tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất làm việc

*81.9gH0.5ρhh

Trong đó:

ρdd : Khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ cuối (ở nhiệt độ ts,

không kể lẫn bọt hơi), kg/m3;

ρdm : Khối lượng riêng dung môi , kg/m3;

H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m;

HOP : Chiều cao tính theo kính quan sát mực chất lỏng, chọn HOP = 2 m

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

Kết quả tính toán tổn thất nhiệt độ do cột lỏng

III.4.2 Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ:

Chọn nhiệt độ tổn thất trên mỗi đường ống là Δ’’’ = 1oC

Tổng tổn thất trên mỗi đường ống cho cả 3 nồi là ΣΔ’’’ = 3oC

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ của nồi 1 là: Δ1 = 5,09 + 0,14 +1 = 6,23 oC

tổng tổn thất nhiệt độ của nồi 2 là: Δ2 = 1,59 + 0,54 + 1 = 3,13 oCtổng tổn thất nhiệt độ của nồi 3 là: Δ3 = 0,9 _0,49 +1 = 2,39 oCtổng tổn thất nhiệt độ cả 3 nồi: ΣΔ = Δ1 + Δ2 + Δ3 = 11,75 oCSuy ra nhiệt độ dung dịch ở mỗi nồi: tsdd,Pi = tsdm,Pi + Δi (oC)

III.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích các nồi:

Theo định nghĩa, hiệu số nhiệt độ hữu ích là chênh lệch giữa nhiệt độ hơi đốt với nhiệt độsôi trung bình của dung dịch:

Nồi 1: ∆ti1 = T1 – ts1 = T1 – (t1’ + ∆1’ + ∆1’’)Nồi 2: ∆ti2 = T2– ts2 = T2 – (t2’ + ∆2’ + ∆2’’)Nồi 3: ∆ti3 = T3– ts3 = T3 – (t3’ + ∆3’ + ∆3’’)

Trong đó:

∆ti1, ∆ti2, ∆ti3 : Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

T1, T2, T3 : Nhiệt độ hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

ts1, ts2, ts3 : Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

t1’, t2’ ,t3’ : Nhiệt độ hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

∆1’, ∆2’,∆3’ : Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

∆1’’, ∆2’’, ∆3’’ : Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:

III.6 Cân bằng nhiệt lượng các nồi:

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

C = 4186.(1 - x), J/(kg.K) ; I.43 [2, 152]

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

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

C = Cht.x + 4186.(1 - x), J/(kg.K) ; I.44 [2, 152]

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

Nhiệt dung riêng NaNO3 khan (Cht) được tính theo công thức:

MNaOH Cht = ΣCi.Ni I.41 [2,152]

M : khối lượng mol của hợp chất

Ci : nhiệt dung riêng của đơn chất

ni : số nguyên tử trong phân tử

Nhập liệu Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3

III.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

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

i, i1, i2 : Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg

tđ, t1, t2, t3 : Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3 của dung dịch,

Cđ, C1, C2 , C3 : Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3 của dd, J/kg.K

θ1, θ2, θ3 : Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1, nồi 2, nồi 3

Cng1, Cng2,Cng3 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg.K)Qxq1, Qxq2, Qxq3 : Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh, (J)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được:

(Bảng I.250[4, 312])

Hàm nhiệt của hơi đốt từ nồi hơi và hơi thứ các nồi :

i = 2711 kJ/kgi1 = 2704 kJ/kgi2 = 2648 kJ/kgi3 = 2626 kJ/kg Nhiệt độ sôi của dung dịch:

tđ = 70,4 oCt1 = 120 oCt2 = 94,4 oC

t3 = 71,1 oC Nhiệt dung riêng của dung dịch:

Cđ = 3,85 kJ/kg.độ C1 = 3,23 kJ/kg.độ C2 = 3,59 kJ/kg.độ C3 = 3,77 kJ/kg.độ Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):

 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:

Các kết quả trên đều thỏa điều kiện kiểm tra

Chương IV: Tính kích thước thiết bị chính

KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH

IV.1 Bề mặt truyền nhiệt buồng đốt:

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

Q F

K t

=

Trong đó:

Q : nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W

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

IV.1.1 Tính hệ số truyền nhiệt K:

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

t1 : Nhiệt độ hơi đốt, oCt2 : Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, oCtw1, tw2 : Nhiệt độ vách ngoài và vách trong của 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) rc1 = 0,232.10-3(m2độ/W) Bảng V.1 [2, 4]

rc2 : Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch rc2 = 0,387.10-3 (m2độ/W) Bảng V.1 [2, 4]

Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ:

Khi hơi ngưng trên một ống nằm ngang hay các ống của dãy trên cùng trong chùm ống, giả sử Pr> 0,5 và Rem <50 (của nước ngưng) thì phương trình hệ số cấp nhiệt α là:

t d

∆ V.101[2, 30]

Với d : đường kính ngoài của ống : chọn 57 mm

r : Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hòa, J/kg

∆t1 = t1 – tw1 : Hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị,

(Chọn t1 là nhiệt độ của hơi đốt) Đối với nước, giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

2 3 0,25

A ρ λµ

C, ∆t1 = 1,61 0

C, ∆t1 =1,35 0CKhi hơi ngưng bên ngoài chùm ống nằm ngang bố trí xen kẽ nhau thì chiều dày màng nước ngưng ở các ống phía dưới sẽ tăng lên do từ các ống trên chảy xuống, đồng thời tốc độ của hơi giảm đi vì đã ngưng một phần, do đó hệ số cấp nhiệt ở các dãy ống dưới sẽ giảm.Lúc này hệ

số cấp nhiệt trung bình của chùm ống tính theo công thức

v

δ

Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi :

Khi nước sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì có thể tính hệ số cấp nhiệt α2theo hệ số cấp nhiệt của nước αn bằng công thức:

435 0 2

565 0

dd n

dd n

dd n

C

C

µ

µρ

ρλ

λαα

Với: (W/m2độ) V.91 [2, 26]

Trong đó:

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

λdd , λn : hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và nước, W/m.độ

, : khối lượng riêng của dung dịch và nước, kg/m3Cdd , Cn : nhiệt dung riêng của dung dịch và nước, J/kg.độ

µdd , µn : độ nhớt dung dịch và hơi đốt, Ns/m2

Xem như sự mất mát nhiệt không đáng kể

q = q1 = q2 tw2 = tw1 – ∆twtw1 : Nhiệt độ vách ngoài của ống , 0C

∆tw : Hiệu nhiệt độ của vách ngoài và vách trong của ống, 0C

∆tw = ∑R q1

5 0 33 2 2145

 Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dịch:

Các số liệu tra cứu

Nhiệt tải riêng phía dung dịch

(N/m2)

αn (W/m2.K)

α2 (W/m2.K)

q2 (W/m 2)

Kiểm tra lại giả thuyết

∆t1

1 2 1.100% 5%

q q q

Ta có:

tb i

q K t

=

Trong đó : qtb : Nhiệt tải riêng trung bình , W/m2

∆ti : Hiệu số nhiệt độ hữu ích , oC

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

%100)

t

t t t

∗

∆

=i

tKQF

Giá trị F chọn chuẩn theo bảng VI.6 [2, 80] là 80 m2

IV.2 Tính kích thước buồng đốt:

IV.2.1 Số ống truyền nhiệt:

Tổng bề mặt truyền nhiệt: F = n.π.d.H (m2)

Trong đó:

n: số ống truyền nhiệtd: đường kính ống truyền nhiệt, chọn d= 0,025 mH: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H=2 m

H d

F n

π

73,12

465.0,025.2

Chọn số ống chuẩn theo bảng 3.6 [3,237]: 547 ống ; bố trí ống theo hình lục giác đều.

Số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác là 27 ống

Số ống trên một cạnh của hình lục giác là 13 ống

IV.2.2 Số ống truyền nhiệt bị bỏ đi:

Vì cấu trúc của buồng đốt ngoài nằm ngang nên ta bỏ đi hàng ốngngang nằm giữa, ứng với 27 ống truyền nhiệt

Vậy số ống truyền nhiệt còn lại là: 547 – 27 = 520 ống

Kiểm tra diện tích bề mặt truyền nhiệt thực: Fthực = π.ncòn lại.d.H

0, 03375.(27 1) 4.0,025 0,9775

t

IV.3 Tính kích thước buồng bốc:

Nồi 3 có áp suất thấp nhất nên thể tích riêng hơi thứ của nồi 3 là lớn nhất, do đó nồi 3cần không gian hơi lớn nhất Vì vậy kích thước buồng bốc của 3 nồi chọn bằng kích thước tínhtheo nồi 3

Chọn sơ bộ đường kính buồng bốc: Db = 1,4 m

Với d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m

µh: độ nhớt động lực của hơi thứ, tra bảng 58 [4,48]

Ta có 0,2 < Re < 500, theo [3,276]: Re0,6

5,18

[3,292]

Vận tốc lắng của giọt lỏng, theo công thức

0

4 ( )3

h

gd ρ ρω

m/sVới ;ρ ρl h là khối lượng riêng của giọt lỏng và của hơi thứ

Điều kiện để giọt lỏng không bị lôi cuốn, theo [3,292]: ωh < 0,7.ωo

Ta có: 0,9544 < 0,7 1,6253 = 1,157 ⇒ thoả

Theo công thức 5.15 [3,293] thể tích buồng bốc:

3 '

b h

W V

ρ ω

=

, m3Trong đó: ω’: cường độ bốc hơi trung bình, m3/m3.h

Theo công thức [3,293] ω’ = f ω’1atVới ω’1at: cường độ bốc hơi cho phép khi áp suất là 1at chọn ω’1at = 1600 m3/m3.h

f: hệ số tra theo đồ thị hình 5.6 [3,293] , f = 1,5

⇒ω’ = 1,5 1600 = 2400 m3/m3.hVậy thể tích buồng bốc:

V D

Tính toán tương tự cho buồng bốc nồi 1 và nồi 2 ta có Hb1 = 0,74 m ; Hb2 = 0,975 m

Để đảm bảo an toàn,ta chọn chiều cao buồng bốc cho cả 3 nồi (phần thân trụ) Hb = 2 m

Kết quả tính kích thước thiết bị chính

IV.4 Tính đường kính các ống ra vào thiết bị:

Tính đường kính các ống dẫn được tính theo công thức: v

Q d

.4π

=

Trong đó:

Q: lưu lượng thể tích lưu chất , m3/s

v: vận tốc lưu chất, m/s (chọn trước)

Chọn đường kính ống và chiều dài đoạn nối theo bảng XIII.32 [2,434]

Kết quả tính toán được trình bày trong bảng IV.5

Kích thước các ống dẫn ra vào thiết bị

Suất lượng (kg/s)

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

Vận tốc chọ n (m/s )

Đường kính (m)

Đườn

g kính chọn (m)

Chiều dài đoạn nối (m)

Chương V: Tính cơ khí thiết bị chínhV.1 Tính thân buồng đốt:

- 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

a.

Buồng đốt n ồi 1 và nồi 2:

Buồng đốt của 2 nồi đều chịu áp suất trong, buồng đốt của nồi 1 chịu áp suất cao hơn (ápsuất hơi đốt) nên ta chọn bề dày thân buồng đốt của 2 nồi bằng bề dày tính toán của thân buồngđốt nồi 1 để tiện chế tạo và lắp đặt

Cc : Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm

Chọn Cc = 0

Co : Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm

Chọn Cc = 1Vậy S = S’ + Ca = 1,03 + 1 + 1 = 3,03 mm

Kiểm tra bảng 5-1 [5,94] Với Dt = 1000 mm  Chọn S = 4 mm

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

4 1

0,003 0.11000

a t

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

c Buồng đốt n ồi 3 : (chịu áp suất ngoài)

L: chiều dài tính toán thân thiết bị, mm

Vì thân buồng bốc là thân trụ lắp với 2 mặt bích nên L bằng khoảng cách giữa 2 mặt bích

L= H = 2000 mm Các thông số cần tra và chọn:

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

0,122 2000' 1,18 1000 ( ) 5,1

1,95.10 1000

Bề dày thực của thân:

S = S’ + Ca + Cb + Cc + = 4,9 +1 +1,05 = 7,2 mm

Theo bảng XIII.9 [2, 364] ⇒ chọn bề dày thép tấm chuẩn là 8 mm

Kiểm tra bền khi thân chỉ chịu áp suất ngoài:

Kiểm tra bề dày thỏa mãn công thức 5.15 và 5.16 [5,134]:

2 ( )1,5

: Ứ ng suất cho phép tiêu chuẩn của loại thép CT3 làm thân ở nhiệt độtính toán

Lực nén chiều trục:

2

( 2 )4

b CT

t

C S

D

Qc 0,05 0,098 0,14 0,15 0,14 0,118 0,08 0,06 0,055

Xác định hệ số Kc, theo công thức 5.34 [5,140]:

875

t c

1000

n

= 82,6 N/mm2Điều kiện ổn định của thân [5,140]: ( )

CT a

Xác định ứng suất nén chiều trục, công thức 5.48 [5,145]:

CT n

P

σπ

=

99166(1000 8) (8 1)

n

σπ

Điều kiện ổn định của thân, công thức 5.47 [5,145]:

1][]

P

P n

n

σσ

4, 47 0,122

82, 6 0, 259+ =

0,526 < 1 ⇒ thoảVậy bề dày thân buồng đốt nồi 3 là 8 mm

Chọn bề dày thiết kế chung cho buồng đốt của cả 3 nồi là 8 mm

V.2 Tính thân buồng bốc:

Buồng bốc nồi 1 chịu áp suất trong, buồng bốc nồi 2, nồi 3 chịu áp suất ngoài

Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng bốc là thép hợp kim X18H10T

V.2.1 Tính thân buồng bốc nồi 1:

Thông số làm việc:

Dt = 1400 mm

Pt = 1,76 at  Thân buồng đốt nồi I chịu áp suất trong

Nhiệt độ hơi đốt: t = thđ = 115 oC

Kiểm tra bảng 5-1 [5,94] Với Dt = 1400 mm  Chọn S = 4 mm

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

4 1

0,002 0.11400

a t

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

V.2.2 Tính thân buồng bốc nồi 2, nồi 3:

Buồng bốc của 2 nồi đều chịu áp suất ngoài, buồng bốc của nồi 3 chịu áp suất tính toáncao hơn (áp suất chân không thấp hơn) nên ta chọn bề dày thân buồng bốc của 2 nồi bằng bề dàytính toán của thân buồng bốc nồi 3 để tiện chế tạo và lắp đặt

Thông số làm việc:

Dt = 1400 mm

Pt = 0,33 at  Thân buồng đốt nồi III chịu áp suất ngoài

Nhiệt độ hơi đốt t = thđ = 69,7 oC

Thông số tính toán:

Ptt = Pdư = 1+(1 – 0,33) = 1,67 at = 0,164 N/mm2

t = 69,7+ 20 = 89,7 oC (có bọc lớp cách nhiệt)

L: chiều dài tính toán thân thiết bị, mm

Vì thân buồng bốc là thân trụ lắp với 2 mặt bích nên L bằng khoảng cách giữa 2 mặt bích

L= H = 2000 mm Các thông số cần tra và chọn:

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

0,164 2000' 1,18 1000 ( ) 7

1,95.10 1400

Bề dày thực của thân:

S = S’ + Ca + Cb + Cc + = 7 + 1+ 1,05 = 9,05 mm

Theo bảng XIII.9 [2, 364] ⇒ chọn bề dày thép tấm chuẩn là 10 mm

Kiểm tra bền khi thân chỉ chịu áp suất ngoài:

Kiểm tra bề dày thỏa mãn công thức 5.15 và 5.16 [5,134]:

2 ( )1,5

: Ứ ng suất cho phép tiêu chuẩn của thép CT3 làm thân ở nhiệt độ tính toán