Thiết kế hệ thống 3 nồi xuôi chiều làm viêc liên tục, loại ống tuần hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch Na2CO3 năng suất 12000 kg trên giờ

17 3 Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi..... Nghành công nghiệp Sản lượng Na2CO3 cần : kg/1 tấn sản ph

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 5

I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 5

II CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 6

III THIẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 8

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH……… 10

I CÂN BẰNG VẬT LIỆU 10

1) Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống 10

2) Sự phân bố hơi thứ trong các nồi 11

3) Nồng độ dung dịch ở từng nồi 11

II PHÂN BỐ ÁP SUẤT LÀM VIỆC TRONG CÁC NỒI 11

III TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Ở MỖI NỒI 13

1) Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ ( 13

2) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ( 14

3) Tổn thất do trở lực của đường ống ( 16

4) Tổn thất do toàn bộ hệ thống 16

5) Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi 16

IV TÍNH NHIỆT LƯỢNG, NHIỆT DUNG RIÊNG,ẨN NHIỆT NGƯNG TỤ 17

1) Tính nhiệt lượng riêng 17

2) Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J/kg.độ 17

3) Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi 18

V LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG VÀ TÍNH LƯỢNG HƠI

ĐỐT CẦN THIẾT ……… ……19

VI CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH 21

1) Độ nhớt 21

2) Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 24

3) Hệ số cấp nhiệt 25

4) Hệ số phân bố nhiệt hữu ích 31

5) Tính toán bề mặt truyền nhiệt 33

VII.TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 33

1) Buồng đốt 33

2) Buồng bốc 40

3) Cửa làm vệ sinh 46

VIII.ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 46

1) Đường kính ống dẫn hơi đốt 46

2) Đường kính ống dẫn hơi thứ 48

3) Đường kính ống dẫn dung dịch 50

4) Đường kính ống tháo nước ngưng 50

IX.BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT CỦA THIẾT BỊ 51

1) Bề dày lớp cách nhiệt cho các ống dẫn 51

2) Bề dày lớp cách nhiệt cho thân thiết bị 54

X.MẶT BÍCH 55

XI.TA TREO 57

1) Trọng lượng thân thiết bị 57

2) Tải trọng của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài 58

3) Trọng lượng của dung dịch trong thiết bị 58

4) Trọng lượng vĩ ống 59

5) Trọng lượng đáy buồng đốt 59

6) Trọng lượng nắp buồng đốt 59

7) Trọng lượng của bích 60

8) Trọng lượng của hơi 61

CHƯƠNG 3: TÍNH VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ……… … 64

I.- THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 64

1) Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ 64

2) Lượng không khí và không khí ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 64

3) Đường kính thiết bị ngưng tụ 65

4) Kính thước tấm ngăn 66

5) Chiều cao thiết bị ngưng tụ 67

6) Kính thước ống Baromet 68

7) Chiều cao ống Baromet 68

II.- TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM 70

1) Bơm chân không 70

2) Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị Baromet 72

3) Bơm ly tâm bơm dung dịch vào thùng cao vị 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

LỜI NÓI ĐẦU

Đối với một sinh viên chuyên ngành công nghệ hóa học, việc nắm vững các kiếnthức về môn học quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất là thực sự cần thiết Việclĩnh hội các kiến thức này sẽ giúp cho các kỹ sư trong tương lai không những có thể thiết

kế, vận hành tốt một quá trình sản xuất và chế biến, mà còn biết cách tối ưu hóa các quátrình và chi phí thiết kế, có ý tưởng cải tiến thiết bị, nâng cao năng suất Do vậy, với yêucầu trên, môn học đồ án quá trình thiết bị thật sự mang đến cho em và tất cả sinh viênkhác cơ hội để hình dung lại kiến thức đã học và liên hệ thực tiễn sản xuất, chế biến Đểthiết kế được một đề tài, sinh viên cần phải nắm vững tổng quát các kiến thức về các quátrình thủy lực, truyền nhiệt và chuyển khối

Trong công nghệ hóa chất, để làm tăng nồng độ một hóa chất lên nồng độ dùngtrong thương mại và công nghiệp, một phương pháp dùng khá phổ biến là cô đặc Đâycũng chính là đề tài em thực hiện trong đồ án này, cụ thể là thiết kế hệ thống cô đặc banồi xuôi chiều Cấu trúc của tập đồ án có thể chia thành các phần sau:

» Chương 1: Tổng quát về sản phẩm, phương pháp cô đặc

» Chương 2: Tính toán công nghệ - tính và chọn thiết bị chính

» Chương 3: Tính và chọn thiết bị phụ

» Tài liệu tham khảo

Trong quá trình thực hiện đồ án này, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầyDương Khắc Hồng và các thầy cô trong khoa Tuy nhiên, vì hạn chế về thời gian và kiếnthức, chắc chắn trong đồ án còn tồn tại nhiều sai sót Em xin gởi lời cám ơn đến thầyDương Khắc Hồng và tất cả thầy cô trong khoa đã giúp em hoàn thiện đồ án này, và emrất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để có được nhiều kinh nghiệm

và kiến thức cho bản thân

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ I.- TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM

Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sản xuất từ ngànhcông nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng rộng rãi Nalicarbonate (tên thường gọi là sô đa) với công thức hóa học Na2CO3, là một trong nhữnghóa chất thông dụng đó Với nhiều ứng dụng trong thực tiễn, hiện nay Na2CO3 đang đượcsản xuất ngày càng lớn

1 Các tính chất vật lý của Na 2 CO 3

Carbonat natri là bột tinh thể màu trắng, tỷ trọng d = 2,53 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy

853 oC.Bột tinh thể màu trắng, mùi nồng, dể tan trong nước và để ngoài không khí dểchảy nước Tỉ trọng d=2,53 g/cm3 ,Nhiệt độ nóng chảy: 853oC, nhiệt độ sôi : 1.600oC

Độ hoà tan trong nước : 22g / 100ml (20oC) Bền nhiệt, không phân hủy ở nhiệt độ caoXôđa Na2CO3 được dùng nhiều trong công nghiệp các chất vô cơ để điều chế cácsản phẩm xôđa khác, dùng trong luyện kim để nhận các muối, trong công nghiệp thủytinh, để làm sạch các sản phẩm dầu mỏ, trong công nghiệp giấy, sơn màu dệt da…

Xôđa Na2CO3 là muối tính chất kiềm Công nghệ sản xuất xôđa là kiểu mẫu của kỹthuật sản xuất muối dựa trên cơ sở những quá trình hấp thụ hóa học trong hệ lỏng – khí

2 Các ứng dụng của N 2 CO 3

Muốn cho nền kinh tế và công nghiệp phát triển, các nước đều phải phát triển cácngành công nghiệp sản xuất ra nguyên liệu cho công nghiệp, trong đó sô đa là loạinguyên liệu phục vụ cho công nghiệp sản xuất ra các mặt hàng tiêu dùng và nguyên liệucho sản xuất một số kim loại màu và các loại thủy tinh khác nhau Hai lĩnh vực này sửdụng 50% tổng lượng sô đa sản xuất ra hàng năm trên thể giới

Trên thế giới, Mỹ và Trung Quốc là hai cường quốc sản xuất soda lớn nhất thế giớivới hơn 60% tổng sản lượng soda toàn thế giới Cho đến nay việt nam chỉ có duy nhấtmột nhà máy sản xuất soda , đó là nhà máy Chu Lai Nằm ở khu công nghiệp Tam Hiệptỉnh Quảng Nam Với công suất 20000tấn/năm

Khi sản xuất sô đa phát triển thì mức tiêu thụ muối của nước ta cũng sẽ tăng theo.Với một đất nước có trên 2000 km bờ biển, có thể sản xuất muối natri clorua (NaCl) theophương pháp bốc hơi bằng năng lượng mặt trời Để sản xuất 1 tấn sô đa cần 1500 - 1600

kg NaCl công nghiệp Như vậy, với sản lượng sô đa hàng năm khoảng 200.000 tấn sẽ tiêuthụ trên 300.000 tấn NaCl, tạo được việc làm cho hàng chục vạn diêm dân, phát huy đượcthế mạnh tài nguyên và lao động của nước ta

Nghành công nghiệp Sản lượng Na2CO3 cần :

(kg/1 tấn sản phẩm)

Khoan giếng dầu 2kg/m giòng khoan

II.- CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất tan trong dung dịch bằng cách tách mộtphần dung môi sang dạng hơi Thông thường có 2 loại cô đặc để làm bốc hơi dung môi:

 Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để cung cấp năng lượng cho hơi dung môi (côđặc ở trạng thái sôi)

 Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần của hơi trênmặt thoáng của dung dịch để tăng tốc quá trình bốc hơi.

Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môicân bằng với áp suất chung trên bề mặt thoáng của chất lỏng Khác với quá trình chưngluyện, trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi bay hơi Đáng lưu ý là trong quá trình côđặc nồng độ của chất tan tăng, ảnh hưởng đến quá trình tính toán của thiết bị Khi đó hệ

số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt α giảm, đồng thời khối lượng riêng ρ,

độ nhớt μ, tổn thất nhiệt ∆’ tăng

Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:

 Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nằm nghiêng

 Theo chất tải nhiệt: hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), khói lò, dòng điện,các chất tải nhiệt đặc biệt (dầu, hydrocacbon)

 Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức

 Cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống chùm, ống xoắn

Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch K2CO3 này, ta sử dụng hệ thống côđặc 3 nồi xuôi chiều (tuần hoàn tự nhiên), buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài, vìnhững ưu điểm như sau:

 Dung dịch tự di chuyển từ nồi này sang nồi khác nhờ sự chênh lệch áp suất

và nhiệt độ giữa các nồi Nhiệt độ nồi trước lớn hơn nồi sau

 Dung dịch vào nồi đầu tiên ở nhiệt độ sôi nhờ được gia nhiệt trước bằng hơinước, ngoại trừ nồi đầu tiên, dung dịch đi vào nồi thứ 2, 3 có nhiệt độ caohơn nhiệt độ sôi, do đó dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốchơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi

 Cô đặc ống tuần hoàn ngoài có ưu điểm là dung dịch tuần hoàn trong nồi dễdàng, vận tốc tuần hoàn lớn vì ống tuần hoàn không bị đốt nóng dẫn đến đốilưu dễ dàng

Tuy nhiên, phương pháp cô đặc xuôi chiều cũng có nhược điểm là nhiệt độ dungdịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch tăng dần, làm cho độ nhớt dungdịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.

III.- THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Dung dịch chứa ở thùng chứa (1), được bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị (3) Từthùng cao vị dung dịch được đưa điều chỉnh lưu lượng ở lưu lượng kế (5) trước khi vào

hệ thống cô đặc Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị gia nhiệt (6) để nâng đến nhiệt

độ sôi Lượng hơi nước sau khi đã gia nhiệt cho dung dịch xong đi ra khỏi thiết bị gianhiệt qua bẫy hơi (4) rồi nước chảy vào đường nước ngưng Tiếp theo dung dịch đi vàonồi cô đặc (7), tại đây hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt Dung dịch đitrong ống, hơi nước đi ngoài ống Hơi nước sau khi gia nhiệt cho nồi được qua bẫy hơirồi chảy về đường nước ngưng Hơi thứ nồi thứ nhất sau khi qua bộ phận tách bọt trênđỉnh tháp được đưa ra theo đường hơi tiếp tục cấp nhiệt , làm hơi đốt cho nồi thứ 2(8).Tại nồi 1 dung dịch được cô đặc tới 12,22% tiếp tục chảy vào nồi thứ 2 do sự chênhlệch áp suất và tiếp tục được cô đặc Tại nồi 2 quá trình cũng diễn ra giống như nồi thứnhất, dung dịch được cô đặc có nồng độ 16,18%, lượng hơi thứ sau khi qua bộ phận táchbọt sẽ đi vào đường hơi, để tiếp tục làm hơi đốt cho nồi thứ 3 (9), lượng hơi nước sau khigia nhiệt được đi qua bẫy hơi, lượng nước chảy về đường nước ngưng, dung dịch dichuyển sang nồi 3 Tại nồi thứ 3, dung dịch được cô đăc tới 25% theo ống dẫn chảy vềbồn chứa (17),để thu hồi lại lượng dung dịch theo hơi thứ ra khỏi nồi 3, ta cho hơi thứ điqua thiết bị Baromet (13) để ngưng tụ lại lượng nước, ở thiết bị này, nước được bơm lytâm bơm vào cửa trên thiết bị, hơi ngưng đi đường dưới, hơi ra khỏi thiết bị baromet quathiết bị tách bọt (14), do sự thay đổi đột ngột của hướng dòng khí, nên bọt khí va đập vàothành rồi chảy xuống, ta thu hồi lại tối đa lượng nước Áp suất của toàn bộ hệ thống đượctạo ra nhờ bơm chân không (15) được đặt ở thiết bị tách bọt

Theo sơ đồ công nghệ sau :

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

I.- CÂN BẰNG VẬT LIỆU

Các số liệu ban đầu:

Dung dịch cô đặc: Na2CO3

Năng suất dung dịch đầu: 12tấn/h =12000kg/hNồng độ đầu:10%

Nồng độ cuối:25%

Áp suất hơi nồi 1:4at

Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ:0,25at

1 Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống

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

xđ, xc là nồng độ đầu và cuối (% khối lượng)

W là lượng hơi thứ bốc hơi trong toàn hệ thống (kg/h)Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:

2 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi

Gọi W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 (kg/h)

Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ: W1:W2:W3=1:1,1:1,2

Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi theo côngthức: W = W1 + W2 + W3

Nồi 1:W1=3,3

W

=

7200 3,3 = 2181,82 (kg/h)

Nồi 2:W2=1,1.3,3

W

= 1,1

7200 3,3 = 2400 (kg/h)

Nồi 3:W3=1,2.3,3

W

= 1,2

7200 3,3 = 2618,18(kg/h)

Nồng độ của dung dịch nồi 3: x3= 25%

II.-PHÂN BỐ ÁP SUẤT LÀM VIỆC TRONG CÁC NỒI

Gọi P1, P2, P3, Pnt là áp suất hơi đốt trong các nồi 1, nồi 2, nồi 3 và thiết bị nghưng

tụ

Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ lệsau:

ΔPP i ΔPP i+1 = 1,02Vậy áp suất làm việc ở từng nồi là:

Gọi tht1, tht2, tht3 là nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3

Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất mát khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết bịkhác là 1oC

Bảng 1.1

P 1 (at) t o C P 2 (at) t o C P 3 (at) t o C P nt (at) t o C

Hơi đốt 4 149,2 2,22 122,53 1,04 100,12 0,25 64,2Hơi thứ

Trong đó:Ts là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (K)

r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg)Dựa vào bảng (VI.2/65 - [2]) ta biết được tổn thất nhiệt độ ∆’o theo nồng độ a(% khối lượng)

Vậy, ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo các công thức

Δ’1 = Δ’0.16,2 (tht1 + 273)2/r1

Suy ra tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ của hệ thống:∑ ∆’=6,008

2) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)

Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do áplực của cột chất lỏng Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoánggọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

∆’’ = t(P + ∆P) - tP

Với: t(P + ∆P) là nhiệt độ sôi ứng với Ptb

tP là nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch

Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của chất lỏng

Theo CT VI.12/55-[2], ta có:

Ptb = Po + (∆h + h2)ρddsoi.g

Với:

 Po là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.

 ∆h là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoángdung dịch, chọn ∆h = 0,5m cho cả 3 nồi

 h là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 3m cho cả 3 nồi

 ρddsoi là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

ρddsoi = ρ2dd

ρdd được nội suy và ngoại suy từ bảng I.56/45-[1]

Để tính tos của dung dịch Na2CO3 ứng với Ptb ta dùng công thức Babo: K= s

P P

Trong đó: P là áp suất hơi bão hòa trên bề mặt thoáng của dung dịch

Ps là áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội suy

từ bảng I.250/312-[1]

 Nồi 1: ứng với x1=12,22% → ts1= 101,359oC (theo bảng I.204/236-[1])

Pht=2,297 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps= 1,087at

Bảng 1.5Tính áp suất trung bình giữa ống truyền nhiệt

Bảng 1.6Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

Nhiệt độ sôi của dung dịch (oC) 101.36 101.87 103.24

Áp suất mặt thoáng dung dịch (áp suất khí

Áp suất hbh nước nguyên chất Ps 1.09 1.11 1.16

Nhiệt độ sôi ứng với Ptb, oC 127.74 108,23 84,44

Nồi 1: ∆thi1 = thd1 - thd2 -∑ ∆1= 149,2-122,53-(1,576+2,638+1) = 15,16oC

Nồi 2: ∆thi2 = thd2 - thd3-∑ ∆1 = 14,295 oC

Nồi 3: ∆thi3 = thd3 - tnt-∑ ∆1 = 15,679 oC

Cho toàn hệ thống:∆tht = thd1 - tnt-∑ ∆= 149,2-64,2- 33,568 = 45,132 oC

IV.-TÍNH NHIỆT LƯỢNG, NHIỆT DUNG RIÊNG, ẨN NHIỆT NGƯNG TỤ

1 Tính nhiệt lượng riêng

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

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

Các giá trị trên được tra trong bảng (tra theo nhiệt độ): I.250/312 - [1]

2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:

Vì xd = 10% <20% nên áp dụng công thức I.43/152-[1]

C1 = 4186(1-x) → C0 = 4186(1-0,1) = 3767,4 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1

Vì xd = 12,22% <20% nên áp dụng công thức I.43/152-[1]

C1 = 4186(1-x) → C0 = 4186(1-0,0,1222) = 3674,47 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2

Vì xd = 16,18% <20% nên áp dụng công thức I.43/152-[1]

C2 = 4186(1-x) → C0 = 4186(1-0,1618) = 3508,71 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồi 3

Vì xd = 25% <20% nên áp dụng công thức I.44/152-[1]

C3 = Cht .x3 + 4186(1-x3) = 1036,79.0,25 + 4186(1-0,25) = 3398,7(J/kg.độ)

 Tính nhiệt dung riêng của Na2CO3khan (không hòa tan):

Tính Cht theo công thức I.41/153 - [1]:

Mct.Cht = nNa.CNa + nc.Cc + no.Co

Trong đó: nNa, nc, no: là số nguyên tử Na, C, O trong hợp chất

CNa,Cc,Co: là nhiệt dung riêng của các nguyên tố Na, C, O

3 Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng

và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi

Chọn tổn thất nhiệt độ khi hơi thứ nồi trước di chuyển cho hệ thống ống đi làm hơi đốtcho nồi sau là 1oC

t1 = 142,9oC

ts1 = t1 – Δthi1 =142,9 – 15,16 = 127,74oC

tht1 = ts1 – (Δ’1 + Δ”1) = 127,74 – (1,58 + 2,64) = 123.52oCt2 = tht1 – Δ”1-2 = 123,52 – 1 = 122,52oC

 Tính I và i bằng phương pháp nội suy theo bảng I.250/312 – [1]

 Tính Cn bằng cách nõi suy theo bảng I.249/310 – [1]

t o C i.10 -3

(J/kg)

t o C C P

(J/kg.độ

- D1, D2, D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)

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

- W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3 (kg/h)

- C1, C2, C3 là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ)

- Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra (J/kg.độ)

- Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ)

- I1, I2, I3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3 (J/kg)

- i1, i2, i3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3 (J/kg)

- tđ, tc là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (oC)

- t1, t2, t3 là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở Ptb (oC)

- θ1, θ2, θ3 là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2 , 3 (oC)

- Qtt1, Qtt2, Qtt3 là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3 (J)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ∑Qvào = ∑Qra

Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi:

Bảng 1.8

Nồi 1

Vào Dung dịch đầu mang vào Gđ.Cđ.tđ

Hơi đốt mang vào D1.I1

Vào Hơi đốt mang vào D2.I2

Dung dịch (ở nồi 1 ra) mang vào (Gđ – W1)C1.t1

Vào Hơi đốt mang vào D3.I3

Dung dịch (ở nồi 2 ra) mang vào (Gđ – W1 – W2)C2.t2

nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: θ = thd

Từ phương trình (2) và (3), với số liệu ở bảng trên, ta tính được:

1,976.106W1 – 2,293.106W2 = 9,825.108 (2) 2,228.106W1 + 4,350.106 = 1,579.1010 (3) Suy ra : W1 = 2330,43 (kg/h)

Trong đó: t1, t2 nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt tương ứng μT1, μT2.

θ1, θθ2là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng

 Nồi 1: x1 = 12,22% , chọn chất chuẩn là nước

 t1 = 30 oC ,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d1 = 1,1224 g/cm3

Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng :

CN = nCM = (n.C%.10.d)/M

Trong đó : C% là nồng độ dung dịch Na2CO3

N là tổng điện tích của ion Na+ trong phân tử

D là khối lượng riêng của dung dịch Na2CO3

Suy ra: CN =2,59 (dlg/l)

Tra toán đồ I.23/103-[1],ta có μT1 = 1,64.10-3 (N.s/m2)

 Nhiệt độ của nước ứng với μT1 :θ 1= 0,5 oC

 t2 = 40oC,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d2 =1,1163 g/cm3

Suy ra: CN =2,54

Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μT2 = 1,7.10-3 (N.s/m2)

 Nhiệt độ của nước ứng với μT2 :θ 2= 10 oC

 Suy ra: K = 1,053 Mà

2 2

s s

Ts là nhiệt độ sôi dung dịch nồi 1 : Ts = 127,74oC

Suy ra: θθ s=127,74−401,053 + 10 = 93,32 oC

Tra bảng I.104/96-[1],μ1 = 0,3296.10-4 (N.s/m2)

 Nồi 2: x1 = 16,18% , chọn chất chuẩn là nước

 t1 = 30 oC ,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d1 = 1,1650 g/cm3

Suy ra: CN =3,56 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μT1 = 1,7.10-3 (N.s/m2)

 Nhiệt độ của nước ứng với μT1 :θ 1= 19,84 oC

 t2 = 40oC,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d2 =1,1365 g/cm3

Suy ra: CN =3,47(dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μT2 = 1,73.10-3 (N.s/m2)

 Nhiệt độ của nước ứng với μT2 :θ 2= 15,16 oC

 Suy ra: K = 2,135 Mà

2 2

s s

 Nồi 3: x1 = 25% , chọn chất chuẩn là nước

 t1 = 30 oC ,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d1 = 1,2203 g/cm3

Suy ra: CN =5,76 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μT3 = 4.10-3 (N.s/m2)

 Nhiệt độ của nước ứng với μT3 :θ 3= 24,375 oC

 t2 = 40oC,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d2 =1,1365 g/cm3

Suy ra: CN =5,36 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μT2 = 2,9.10-3 (N.s/m2)

 Nhiệt độ của nước ứng với μT2 :θ 2= 21,25 oC

 Suy ra: K = 3,2 Mà

2 2

s s

2) Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Tính theo công thức (I.32/123-[1])

λ= A.Cp.ρ M



,W/m.độ ;Trong đó: CP là nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch (J/kg.độ)

ρ là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

M là khối lượng mol của dung dịch (g/mol)

A là hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng;

ct H O

x M

106 +

100−2518

=0 , 0536

M3 = m3.Mct + (1- m3).MH2O

=0,0536.106 + (1- 0,0536).18

Mô tả sự truyền nhiệt qua thành ống:

Ở đây ta dùng hơi nước bão hòa làm hơi đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc đitrong ống Do đó khu vực sôi bố trí bên trong ống còn phía ngoài ống là lớp nước ngưng

tụ Màng nước ngưng này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Còn sát thành ống sẽ cómột lớp cặn dung dịch bám vào, vì vận tốc khu vực này gần bằng không Lớp cặn nàycũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm ba giai đoạn:

- Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấpnhiệt là α1 với nhiệt tải là q1 (W/m2)

- Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày là δ, m

- Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt là α2 vớinhiệt tải riêng là q2 (W/m2)

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

Theo định luật Niutơn ta có: q 1 θ= θα1.∆tt1 (4.3)Trong đó: ∆t1 là hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ (nhiệt độ bão hòa) vànhiệt độ thành ∆t1 = tbh – tT;

Trong đó :A = (

2 3 0,25

tt là nhiệt độ bề mặt thành ống phía dung dịch

to là nhiệt độ của chất lỏng sôi

tT2 = thđ – ∆tt 1 – ∆tt T

∆ttT là hiệu số nhiệt độ của hai bên thành

Còn α 2 tính theo công thức sau:

α2 = ψ.α n

Trong đó: α n là hệ số cấp nhiệt đối với nước

αn = 3,14.p0,15.q0,7 (W/m2.độ) (4.7)

p là áp suất trung bình giữa ống truyền nhiệt Ptb, at

ψ là hệ số điều chỉnh và được xác định theo công thức sau:

 λd, θρd, θCd , θ μ d: độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độnhớt tương ứng với độ sôi của dung dịch

 Λn, θρn, θCn , θ μ n: độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độnhớt tương ứng của nước

Bảng 1.11Các thông số của dung dịch

Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3

Cd (J/kg.độ) 3674.4708 3508.7052 3398.6975

103 θμ d (Ns/m2) 0.3296 0.5962 0.712

Với nhiệt độ của nồi 1 là ts1 =127,74 oC, ts2 = 110.44oC,ts3 = 98.65oC

Tra bảng [I.249/310 – 1] ta có bảng thông số của nước:

∑r = r1 + r2 + r3

Trong đó: ∆t: hiệu số nhiệt độ hai bên thành thiết bị

r1: là nhiệt trở của nước ngưng

Với ống truyền nhiệt người ta thường dùng thép CT3 có bề dày δ=¿ 2 (mm)

Lớp vật liệu đó tra bảng I.125/127 – [1] ta có hệ số dẫn nhiệt là 50 W/m.độ

→∑r1=∑r2=∑r3=0, 232.10−3+0 , 387.10−3+ 2

50 .10

−3=0, 659 10−3

,m2.độ/W

Tính hệ số cấp nhiệt của nước theo công thức: α n = 3,14.p0,15.q0,7 (W/m2.độ)

Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch theo công thức: α = φ.αn (W/m2.độ)

Nhiệt độ phía trong thành ống: tT2 = tT1 – ∆t = Thd – ∆t1 – ∆t (oC)

Lần lượt tính cho mỗi nồi:

Tính toán tương tự cho nồi 2 và nồi 3 ta có:

q 1 (W/m 2 ) q 2 (W/m 2 ) Sai số (%)

4 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi

Ở đây phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

i

i i

Q K

Q K

Qi: nhiệt lượng cung cấp (J)

Ki: hệ số truyền nhiệt (W/m2.độ)

Ta có: Qi =

3600

i i

D r

Trong đó: Di: lượng hơi đốt của mỗi nồi (kg/h)

ri: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi (J/kg)

Suy ra :

1 1

Q

K =1267,61

 Nồi 3: Q2 =

3 3 3600

Nồi 2 14.295 10,7 0.32

Như vậy các sai số so với ban đầu đều nhỏ hơn 10%

5 Tính toán bề mặt truyền nhiệt

Bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi:

 Nồi 1:

1 1

1 hi1

Q F

2 hi2

Q F

3 hi3

Q F

thức sau: n= t .

F

d H  =391,45 (ống)Theo bảng qui chuẩn số truyền nhiệt V.11/48-[2],ta có nqc =439 ống

Và với số ống được qui chuẩn trên,mạng ống được sắp xếp theo hình 6 cạnh(lụcgiác đều) với số hình 6 cạnh 11,số ống trên đường xuyên tâm là 23 Tổng số ốngkhông kể hình viên 397 ống

b Đường kính buồng đốt : Dt

Đối với thiết bị ống tuần hoàn trung tâm:

F:tổng bề mặt đốt

F = nống.hống.π.dt =517.3.3,14.0,032=155,8 m2

Chọn ψ = 0,85Chiều dài ống truyền nhiệt l: 3 m

→ Dt = 1,386 m Quy chuẩn Dt = 1,4 m

c Chiều dày buồng đốt

Thường dùng thép chịu nhiệt CT3

Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong p được xác định theo côngthức sau:

.2.[ ]

Trong đó: Dt: là đường kính trong của buồng đốt (m)

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

(theo bảng XIII.8/362 – [2])

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

P: áp suất trong thiết bị (at)

[σ]: ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [σk], và ứng suất theo giới hạn chảy[σch]

Ứng suất kéo : [σk]=

2

k k

N m n





(XIII.1/355-[2])Với η là hệ số điều chỉnh,theo bảng XIII.2/356 – [2] ta chọn η = 0,9

nk là hệ số an toàn theo giới hạn bền theo bảng XIII.3/356 – [2] ta chọn nk = 2,6 (vậtliệu hợp kim được cán,rèn dập)

σk giới hạn bền khi kéo theo bảng XII.4/309 – [2] ta chọn σk = 380.106 N/m2

N m n



(XIII.2.355 – [2])Tương tự ta chọn :η = 0,9;nc = 1,5; σc = 240.106 (N/m2)

Trong đó : C1 – là đại lượng bổ sung do an mòn ;chọn C1 = 1 mm;

C2 – là đại lượng bổ sung do hao mòn,trong trường hợp tính toán thiết bị hóachất có thể bỏ qua C2

C3 – đại lượng bổ sung đo dung sai của chiều dày,phụ thuộc vào chiều dày tấmvật liệu,theo bảng XIII.9/364 – [2] ta chọn được C3 = 0,4 mm

t

D P

C P

 Nồi 2: : áp suất trong thiết bị bằng áp suất hơi đốt Phd :P = Phd

Phd2 = 2,22 at = 217782

(N/m2)

 S2 =

.2.[ ]

t

D P

C P

   =0,0026 (m)Chọn S1 = 0,003 (m) = 3 mm để đảm bảo độ bền

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

Vậy bề dày 3 mm thõa mãn nồi 2

 Nồi 3: áp suất trong thiết bị bằng áp suất hơi đốt Phd :P = Phd

Phd3 = 1,04 at = 102024 (N/m2)

 S2 =

.2.[ ]

t

D P

C P

   =0,00197 (m)Chọn S1 = 0,002 (m) = 2 mm để đảm bảo độ bền

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

d Bề dày đáy buồng đốt

Đáy cũng như nắp được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị; đáy và nắp đượcnối với thân thiết bị bằng cách hàn, ghép bích hoặc hàn liền với thân Đối với thân hìn trụthẳng đứng, áp suất trong lớn hơn 7.104 N/m2, thường chọn đáy hình elip