thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt ngoài thẳng đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịch NaOH từ 4,5% lên 13%

ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là NaOH vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó. Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng. Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình kết tinh nếu cần. Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt ngoài thẳng đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịch NaOH từ 4,5% lên 13% Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số kỹ thuật cụ thể. Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và các anh chị năm trước để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC I. Giới thiệu chung về natri hydroxit (NaOH) Tính chất vật lí và hóa học của NaOH: Natri hydroxyt là khối tinh thể không trong suốt có màu trắng, không mùi. Dễ tan trong nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete. NaOH có trọng lượng riêng 2,02. Độ pH là 13,5. Nhiệt độ nóng chảy 327,6 ± 0,9oC. Nhiệt độ sôi 1388oC. Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí, chảy rữa và biến thành Na2CO3. NaOH là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao; trong quá trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động. Ngoài ra, NaOH có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên khi hòa tan NaOH cần phải dùng nước lạnh. Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H2O, NaOH.3H2O và NaOH.2H2O. Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy. Điều chế và ứng dụng: Trong phòng thí nghiệm: + Natri tác dụng với nước 2Na + 2H2O > 2NaOH + H2 + Natri oxit với nước 2NaO + H2O > 2NaOH Trong công nghiệp: Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng với dung dịch natri cacbonat loãng và nóng: Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3 Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa: 2NaCl + 2H2O dòng điện Cl2 + H2 + 2NaOH NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệm hóa học II. Sơ lược về quá trình cô đặc

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọngảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác Một trong những hóa chất được sản xuất và

sử dụng nhiều là NaOH vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó

Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quantrọng Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng

đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình kết tinhnếu cần

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt ngoài thẳng đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịch NaOH từ 4,5% lên 13%

Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị làhết sức quan trọng Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắcnhững kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dầnvới việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số kỹthuật cụ thể

Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế củasinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót Vì vậy, emrất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và các anh chịnăm trước để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

I Giới thiệu chung về natri hydroxit (NaOH)

Tính chất vật lí và hóa học của NaOH:

Natri hydroxyt là khối tinh thể không trong suốt có màu trắng, không mùi Dễtan trong nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete

NaOH có trọng lượng riêng 2,02 Độ pH là 13,5 Nhiệt độ nóng chảy 327,6 ±0,9oC Nhiệt độ sôi 1388oC Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí, chảy rữa vàbiến thành Na2CO3

NaOH là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao; trong quátrình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động Ngoài ra,NaOH có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên khi hòa tan NaOHcần phải dùng nước lạnh

Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H2O, NaOH.3H2O vàNaOH.2H2O Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy

Điều chế và ứng dụng:

Trong phòng thí nghiệm:

+ Natri tác dụng với nước

2Na + 2H2O > 2NaOH + H2 + Natri oxit với nước

2NaO + H2O > 2NaOHTrong công nghiệp:

Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng vớidung dịch natri cacbonat loãng và nóng:

Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3

Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa:2NaCl + 2H2O dòng điện Cl2 + H2 + 2NaOH

NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và tơnhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm

và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệmhóa học

II.Sơ lược về quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tankhông bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan.

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chânkhông, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệthống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy

vì nhiệt

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phânhủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc vàcho các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải rangoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ

đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách

khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do

đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quátrình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ tronghỗn hợp

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở

nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng

một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việcgián đọan hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùytheo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thểdùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trongchân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dungdịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thểgiảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩakinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắtnhư sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi nàyđưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đivào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗinồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt

khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làmviệc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thôngthường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suấtkhí quyển.

Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại này

có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suấtgiữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi(trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm

lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc

hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi do đó cần

phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiềudung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nướcngưng tụ

Khuyết điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấpdần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăngnhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối

Cấu tạo thiết bị cô đặc:

Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằnghơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:

a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt đểđun sôi dung dịch

b) Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ đượctách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòngđốt) Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi –lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bịhơi thứ mang theo

Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách:

- Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng, loạinghiêng

- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm

- Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơinước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt

- Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức,

Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc tuần hoàn

bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng

Sơ đồ thiết minh quy trình công nghệ:

Quá trình cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài là quá trình sử dụng hơithứ thay cho hơi đốt Dung dịch ban đầu trong thùng chứa(13) được bơm ly tâm (14)bơm lên thùng cao vị (1) qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đóvào thiết bị gia nhiệt (2) Tại thiết bị gia nhiệt (2) dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt

độ sôi của nồi 2 Dung dịch sau đó được đưa vào buồng đốt ngoài (4) của nồi 2 Tạinồi 2 dung dịch NaOH bốc hơi một phần tại buồng bốc (5), hơi thứ thoát lên qua thiết

bị ngưng tụ (7), được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được bơm chânkhông hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt (8) Còn sản phẩm được bơm vàonồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc, khi đến nồng độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào

bể chứa sản phẩm(12) Ở nồi 1 hơi đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơiđốt chính là hơi thứ của nồi 1

Chương 2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

I Tính cân bằng vật liệu:

Thông số và số liệu ban đầu:

Dung dịch cô đặc: NaOH

Nồng độ dung dịch đầu: 4,5%

Nồng độ dung dịch cuối: 13%

Năng suất ban đầu của dung dịch: 32000 kg/h

1.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung dịch thay đổi từ x d đến x c

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:

Gđ= Gc+ W (1)Trong đó:

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

W: lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h)

Viết cho cấu tử phân bố:

Gđ.xđ= Gc.xc+ W.xwTrong đó:

xđ, xc là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra ở nồi cuối (% khối lượng)xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:

Gđ.xđ= Gcxc (2)Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:

Gd : lượng dung dịch ban đầu

Xd, Xc: nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng)

1.2 Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi

Ta có: W= W1+ W2

Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường người

ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp

Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : 1 , 1

2

1 

W W

Khi đó ta có hệ phương trình:

2

1 2

1,120923,08

X1, X2: nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi (% khối lượng)

W1, W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi (kg/h)

Gd : lượng dung dịch đầu (kg/h)

Xd: nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng)

II Cân bằng nhiệt lượng

2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi

Gọi P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ

P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2

P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ

Pt: hiệu số áp suất của cả hệ thống

Giả sử chọn:

Áp suất của hơi đốt vào nồi 1: P1=3,34 at

Áp suất của thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt= 0,36 at

Khi đó hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc là:

∆Pt = P1-Pnt= 3,34- 0,36 = 2,98atChọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:

1 2

P P





= 1,6Kết hợp với phương trình ∆P1+∆P2= ∆Pt= 2,98at

Suy ra: ∆P1= 1,834(at)

∆P2= 1,146 (at)

P2= P1- ∆P1= 3,34- 1,834= 1,506 (at)

2.2 Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi

Gọi: thd1, thd2, tnt là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ

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

Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 10C

tht1= thd2+ 1

tht2= tnt+ 1Tra bảng : I 250, STQTTB, T1/ Trang 312

Nhiệt độ(oC)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(oC)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(oC)

Ts : là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (oK)

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg)

Bảng 2.2: Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/Trang 67

Nồi 1: ∆'1= ∆'0 16,2

2 1

(112,088 273)2229,167.10



= 4,440C

Nồi 2: ∆'2= ∆'0  16,2

2 2

(73,72 273)2325,987.10



= 1,3930CVậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:

∆'= ∆'1+∆'2= 4,44+ 1,393= 5,8330C

2.3.2 Tổn thất nhiệt 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):

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:

g

h h P

P0 : áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2)

thoáng của dung dịch (m)

h : chiều cao ống truyền nhiệt (m)

9,81.10 9,81.10

dds tb

9,81.10 9,81.10

dds tb

Trong đó:

P: áp suất hơi bão hoà của dung môi nguyên chất

Ps: áp suất hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất thường

Nồng độ của dung dịch ở nồi 2: 6,844%, nhiệt độ t0

∆"= ∆"1+∆"2= 2,42+ 7,657= 10,0770C

2.3.3 Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra

Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 10C

Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra cho cả hệ thống: ∆"' = 20C

2.3.4 Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống

∑∆= ∆'+∆"+∆"' = 5,833+ 10,077+ 2 = 17,910C

2.3.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

2.4 Nhiệt dung riêng C(J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức I.43; STQTTB T1/ trang152

C= 4186.(1-x) ( J/kg.độ)

X là nồng độ chất tan (% khối lượng)

Nhiệt dung riêng đầu có nồng độ xđ= 4,5%

D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h)

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

W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)

I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2

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

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

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

θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 0C

Cng1,Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 0C

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

* Nhiệt lượng vào gồm có:

Nồi 1:

- Nhiệt do hơi đốt mang vào: D1I1

- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (Gđ-W2).C2ts2

Nồi 2:

- Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1i1=D2I2

- Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: GđCđtđ

* Nhiệt mang ra gồm:

Nồi 1:

- Hơi thứ mang ra: W1i1

- Do dung dịch mang ra: (Gd-W)C1.ts1

- Do hơi nước ngưng tụ: D1Cng1θ1

- Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D(I1-Cng1θ1)

Nồi 2:

- Hơi thứ mang ra: W2i2

- Do dung dịch mang ra: (Gd-W2)C2ts2

- Do hơi nước ngưng tụ: D2Cng2θ2

- Do tổn thất chung: Qtt2=0,05D2(I2-Cng2θ2)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

2 2 2

III Tính bề mặt truyền nhiệt

Trong đó: t1, t2: nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là µ1, µ2

θ1, θ2 : nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là µ1, µ2

Nồi 1:

Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x1=13%Chọn t1= 600C, ta có µ1= 1,126.10-3 (N.s/m2)  θ1= 15,4510C

Chọn t2= 400C, ta có µ2= 1,454.10-3 (N.s/m2)  θ2= 6,4220C

Tra µ1, µ2 dựa vào bảng I.107 STQTTB,T1/ trang 100

Tra θ1, θ2 dựa vào bảng I.102 STQTTB,T1/ trang 94

1 2

1 2

60 40

2,21515,451 6,422

s s

t t k

        (0C)

 µs1= 0,6301.10-3 (N.s/m2)

Nồi 2: (tương tự như nồi 1)

Lấy nước làm chất tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x2= 6,844%Chọn t1= 400C, ta có µ1= 0,964.10-3 (N.s/m2)  θ1= 21,7250C

s s

t t k

        (0C)

 µs2= 0,475.10-3 (N.s/m2)

3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Công thức I.32 STQTTB T1/ trang 123

Trong đó:

A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước

Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg độ)

ρ: khối lượng riêng (kg/m3)

M: khối lượng mol của chất lỏng

x M m

1095,83,58.10 3641,82 1095,8 0,548

1030,5463,58.10 3899,51 1030,546 0,547

1

2,04

r A

h t

 



Với r: ẩn nhiệt ngưng (J/kg)

H: chiều cao ống truyền nhiệt ( chọn H= 4m)

2 3 4



 : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tm

tm= 0,5(tT1+thd)

2158,218 102,04 192,912 8860,179

12

2230,952 102,04 183,551 8659,364

 là hệ số cấp nhiệt của nước

Mà theo công thức VI.27, STQTTB, T2/Trang 71

Ta có:

435 , 0 2

565 , 0

2

2 2

2

.

d n

d n

2

r1: nhiệt trở do lớp nước ngưng

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

λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhệt

 : bề dày ống truyền nhiệt ( =2mm)

r3 : nhiệt trở qua lớp vật liệu

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3 λ = 50 W/m độ

Tra bảng XII.7,STQTTB, T2/ Trang 313

Vậy nhiêt tải trung bình:

3.4 Tính hệ số nhiệt độ hữu ích cho các nồi:

Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi như nhau: F1= F2 nên nhiệt độ hữu íchphân bố trong các nồi được tính theo công thức VI.20 STQTTB T2/trang 68

hi n

i i i

Q k

1

Trong đó:

hi

t

 là nhiệt độ hữu ích trong các nồi (oC )

Qi: lượng nhiệt cung cấp (W/m2)

A

3600

. i

i i

r D

Q 

Di là lượng hơi đốt mỗi nồi

ri: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi

Ki: hệ số truyền nhiệt

2 1

1 1

Nồi 2: 2

28,319 27,683

0,02228,319

Các sai số so với giả thiết ban đầu đều nhỏ hơn 10% nên kết quả cuối cùng có thể chấp nhận được

Vậy thực tế bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là:

Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

Chương 3 THIẾT KẾ CHÍNH

Số ống trong tất cả các viên phân là b=25 ống

3.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt

Theo công thức V.140 STQTTB T2/ trang 49

Dt= t.(b-1)+ 4.dnTrong đó t là bước ống, thường chọn t= (1,2- 1,5)dn

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3

Bề dày buồng đốt được xác định theo công thức XIII.8 STQTTB T2/ trang 360

 

.2

φ: hệ số bền của thành hình trụ tính theo phương dọc, chọn φ=0,95

(theo bảng XIII.8 STQTTB T2/ trang 362)C: hệ số bổ sung ăn mòn (m)

P: áp suất trong thiết bị (N/m2)

  ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [ k] và ứng suất giới hạn chảy [ c]

Ứng suất kéo:

k k k

: hệ số hiệu chỉnh, chọn = 0,9 (Bảng XIII.2 STQTTB T2/trang 356)

nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền, nb= 2,6

(Bảng XIII.3 STQTTB T2/ trang 356) ( vật liệu hợp kim được cán, rèn dập)

k: giới hạn bền khi kéo, k 380.106 (N/m2)

(theo bảng XII.4 STQTTB T2/trang 309)



6

6 k

380.10[ ] 0,9 131,54.10

2,6

Ứng suất giới hạn chảy:

c c c

: hệ số hiệu chỉnh, chọn = 0,9 ( bảng XIII.3 STQTTB T2 /trang 356)

c: giới hạn bền chảy, c 240.106 (N/m2) (bảng XII.4 STQTTB T2/trang 309)



6 c

240.10[ ] 0,9

Với C1 : đại lượng bổ sung do ăn mòn, C1= 1mm

C2 : đại lượng bổ sung do hao mòn, C2= 0

C3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày ; C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu

Chọn C3= 0,22(mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ trang 364)



  (N/m2)Vậy chọn S= 4(mm)

3.1.4.Bề dày đáy và nắp buồng đốt

Được tính theo hình elip có gờ, vật liệu là thép CT3:

 

.3,8 2

D

  ( công thức XIII.48 STQTTB T2 /trang 385)

Ở đây d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng, chọn d= 0,15(m)

1 0,9061,6

1,6 2.0,4 8 3,22 10 512980,596

1,05.10 2.107,6.0,906.0,95.0,4 8 3.22 10

1,6 2.0,4 6 3,18 10 241827,213

0,839.10 2.107,6.0,906.0,95.0,4 6 3,18 10

Vậy chọn bề dày đáy và nắp buồng đốt cho cả 2 nồi S= 8(mm)

ứng với hb= 0,4 (m), chiều cao gờ h= 0,025(m)

(theo bảng XIII.11 STQTTB T2/trang 384)

3.2 Buồng bốc

3.2.1 Đường kính buồng bốc

Chọn đường kính buồng bốc Dt= 2,4m

3.2.2 Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi được xác định theo công thức VI.32 STQTTB T2/trang 71

tt h

W V

.



Trong đó:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)

W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3)

ρh: là khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m3)

Utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi trong một

Theo công thức VI.33 STQTTB T2/Trang 72

Utt = f.utt(1at) (khi P ≠ 1at)

Với utt(1at): cường độ bốc hơi cho phép ở P= 1at

t

kgh kgh

D

V H

1

9102,024

6,1910,876 1677,9

kgh

ht tt

W V

kgh kgh

t

V H

2

11821,056

20,3380,215 2701,3

kgh

ht tt

W V

kgh

Chọn chiều cao của phần dịch sôi tràn lên buồng bốc là 0,44m

Vậy chọn chiều cao buồng bốc cho cả 2 nồi là 4,5m

)0.4 + C (m) (công thức XIII.32 STQTTB T2/ trang 370).

Áp suất làm việc trong buồng bốc: P= Pht2= 0,345 (at)

 Pck= 1- 0,345= 0,655 (at)

Áp suất ngoài: Pn= Pa+Pck= 1+0,655= 1,655 (at)= 162355,5 (N/m2)

Kiểm tra điều kiện XIII.30 STQTTB T2/ trang 371

Và theo điều kiện XIII.31 STQTTB T2/ trang 371

162355,5 4,512,5.2,4 12,511

φh là hệ số bền của mối hàn hướng tâm φh= 0,95

k là hệ số thứ nguyên, được xác định theo công thức:

Kiểm tra ứng suất:

2

2 ( )7,6 1, 2

2,4 2.0,6 6 3,18 10 253152,445

1,19.10 2.107,6.1.0,95.0,6 6 3,18 10

Nồi 2: chiều dày nắp thiết bị làm việc chịu áp suất ngoài được xác định theo

công thức XIII.50 STQTTB T2/ trang 387

  1

.3,8 2

1,315.10 .1.0,74.0,95 569,395 30

2,4 2.0,6 8 3,22 10 72513,476

27.10 2.107,6.1.0,74.0,95.0,6 8 3.22 10

Vậy chọn bề dày cho nắp buồng bốc cho cả 2 nồi S= 8mm

ứng với hb= 0,6 (m); chiều cao gờ h= 0,025 (m)

( tra bảng XIII.11 STQTTB T2/trang 384)

3.2.5 Bề dày đáy buồng bốc

Chọn đáy buồng bốc cho cả 2 nồi theo hình nón có gờ, vật liệu là thép CT3, góc ở đáy

d là đường kính lỗ tâm ở đáy d= 0,07 (m)

D’ là đường kính (m) Đối với nón có gờ:

' t 2 1 os 10 sin 0,5 t 2 1 os

D D  R  c   S   D  R  c  d

C là hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)

Áp suất làm việc trong thiết bị:

0,15(1-Hệ số bền của đáy nón theo phương dọc φ= φh= 0,95

Ta có:  

8

1,315.10 .0,95 818,409 50

152643,6

P



của công thức XIII.53 STQTTB T2/trang 399

Đại lượng tính theo công thức XIII.52 lớn hơn nên ta chọn kết quả này

Đại lượng (S-C)= 1,877mm < 10mm nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C (STQTTBT2/trang 386)

Do đó: C= (1,18+2).10-3= 3,18.10-3 (m)

 S= (1,877+3,18).10-3= 5,057.10-3 (m)

Vậy chọn chiều dày đáy buồng bốc S= 6mm

Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.54 STQTTBT2/ trang 399

.2cos

0,15(1-Hệ số bền của đáy nón theo phương dọc φ= φh= 0,95

Ta có:  

8

1,315.10 .0,95 818,409 50

152643,6

P



của công thức XIII.57 STQTTB T2/trang 402

Nên

 

' 1

.2cos

đại lượng (S-C)= 2,697mm < 10mm nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C (STQTTBT2/trang 386).

 C= (1,22+2).10-3= 3,22.10-3(m)

 S= (2,697+3,22).10-3= 5,917.10-3(m)

Chọn bề dày đáy buồng bốc bằng 6mm

Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.58 STQTTBT2/ trang 402

Chọn bề dày đáy buồng bốc S=6mm

Vậy chọn cho cả 2 nồi S= 6mm

Ứng với chiều cao gờ h= 0,04(m) (tra bảng XIII.21 STQTTB T2/trang 394)

3.3 Đường kính các ống dẫn

Theo công thức V.41, STQTTB T2/Trang 74

Phương trình lưu lượng: V s d m /s