Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều cô đặc dung dụng KOH

Định nghĩa Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan.. Quá trình cô đặc được

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 7

I Tổng quan về sản phẩm 7

II Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc 8

1 Định nghĩa 8

2 Các phương pháp cô đặc 10

3 Ứng dụng của sự cô đặc 10

4 Cấu tạo thiết bị cô đặc 10

III Lựa chọn phương án thiết kế - thuyết minh quy trình công nghệ 12

1 Lựa chọn phương án thiết kế 12

2 Thuyết minh quy trình công nghệ 12

CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 14

1 Tính cân bằng vật chất 14

1.1 Xác định lượng dung môi bốc hơi 14

1.2 Xác định nồng độ dung dịch cuối mỗi nồi 15

2 Cân bằng nhiệt lượng 16

2.1 Xác định áp suất ban đầu 16

2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi 17

2.3 Xác định các loại tổn thất nhiệt độ trong các nồi 18

2.3.1 Tổn thất do nồng độ gây ra .18

2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh 19

2.3.3 Tổn thất do trở lực của đường ống 21

2.3.4 Tổn thất cho toàn bộ hệ thống 21

2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi 21

( ')∆

( '')∆

( ''')∆

2.4 Cân bằng nhiệt lượng 22

2.4.1 Tính nhiệt dung riêng 22

2.4.2 Tính nhiệt lượng riêng 23

3 Tính bề mặt truyền nhiệt 27

3.1 Độ nhớt 27

3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 30

3.3 Hệ số cấp nhiệt 31

3.3.1 Về phía hơi ngưng tụ 31

3.3.2 Về phía dung dịch sôi 33

3.4 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi 35

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHÍNH 41

3.1 Buồng bốc 41

3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 41

3.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt 41

3.1.3 Chiều dày buồng đốt 42

3.1.4 Chiều dày đáy buồng đốt 44

3.2 Buồng bốc 46

3.2.1 Đường kính buồng bốc 46

3.2.2 Chiều cao buồng bốc 46

3.2.3 Chiều dày buồng bốc 48

3.2.4.Chiều dày nắp buồng bốc 49

3.3 Đường kính các ống dẫn 50

3.3.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt 50

3.3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứ 51

3.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch 52

3.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng 54

3.3.5 Đường kính ống tuần hoàn ngoài 56

3.4 Chiều dày vĩ ống 56

3.5 Chiều dày lớp cách nhiệt 57

3.5.1 Chiều dày lớp cách nhiệt của ống dẫn 57

3.5.2 Tính chiều dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 60

3.6 Chọn mặt bích 62

3.6.1 Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp 62

3.6.2 Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn 63

3.7 Chọn tai treo 63

3.7.1 trọng lượng thân thiết bị 63

3.7.2 Tải trọng ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài 64

3.7.3 trọng lượng của dung dịch trong thiết bị 65

3.7.4 trọng lượng hơi 65

3.7.5 Trọng lượng vĩ ống 65

3.7.6 Trọng lượng đáy buồng đốt 66

3.7.7 Trọng lượng nắp buồng bốc 66

3.7.8 Trọng lượng bích 66

3.7.9 Trọng lượng lớp cách nhiệt 67

3.7.10 Tổng trọng lượng thiết bị và tải trọng tai treo 67

CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ PHỤ 69

4.1 Cân bằng vật liệu 69

4.1.1 lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ 69

4.1.2 Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị 69

4.2 kích thước thiết bị ngưng tụ 71

4.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ 71

4.2.2 Kích thước tấm ngăn 71

4.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 73

4.2.4 Kích thước ống baromet 74

4.3 Chọn bơm 76

4.3.1 Bơm chân không 76

4.3.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 78

4.3.3 Bơm dung dịch lên thùng cao vị 82

4.3.4 Bơm dung dịch từ nồi 3 vào nồi 2 84

4.3.5 Bơm dung dịch từ nồi 2 vào nồi 1 86

4.3.6 Bơm dung dịch từ nồi 1 sang bể chứa sản phẩm 89

4.4 Thiết bị gia nhiệt 92

CHƯƠNG V KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là Kali hydroxyt (KOH) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó Trong quá trình sản xuất KOH, quá trình cô đặc thường được sử dụng để thu được dung dịch KOH có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài, cô đặc dung dịch KOH từ 12% lên 30%

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 xót

Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn Đồ án được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn của

GV Tống Thị Quỳnh Anh và các thầy cô bộ môn khoa cơ khí – công nghệ, trường Đại học Nông lâm Huế Em xin chân thành cảm ơn cô Tống Thị Quỳnh Anh cùng các thầy cô giáo và các bạn đã giúp em thực hiện đồ án này

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM,

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1.1 Tổng quan về sản phẩm:

Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sử dụng

từ ngành công nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng rộng rãi Kalihydroxyt với công thức hóa học KOH, là một trong những hóa chất thông dụng với nhiều ứng dụng tực tiễn, hiện nay KOH đang được sản xuất ngày càng lớn

 Các tính chất vật lý cơ bản của KOH:

− KOH là một khối tinh thể trong suốt, không màu, ăn da mạnh

− Nhiệt độ nóng chảy là 360,40C (khan)

− Nhiệt độ sôi là 13250C (khan)

− Độ nhớt là 1,63 Cp ở 200C (dung dịch 20%)

− Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO2 của không khí, dễ chảy rữa thành K2CO3 KOH dễ dàng tan trong nước, 100g nước hòa tan được 112g KOH, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch KOH Áp suất hơi của nước ở trên KOH ở nhiệt độ phòng là 0,002 mmHg

 Các ứng dụng của KOH:

− Sản xuất dầu diesel sinh học

− Sản xuất xà phòng mềm, làm chất tẩy rữa

− Tiền thân của các hợp chất kali khác

− Làm pin điện phân

− Điều chế KOH từ kali:

− Điều chế từ dung dịch K2CO3:

K2CO3 + Ca(OH)2 2KOH + CaCO3

1.2 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc

1.2.1 Định nghĩa

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không 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 chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệ thống 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 phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho

cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải

ra ngoài 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 chất hòa tan trong dung dịch không

12

K H O+ →KOH+ H

→↓

bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn 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 việc gián đoạn hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín

cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi

nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

− Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang

trạng thái rắn dưới tác dụng của 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 ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất 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 máy lạnh

1.2.3 Ứng dụng của cô đặc

− Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây

− Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ

1.2.4.Cấu tạo thiết bị cô đặc

1.2.4.1 Phân loại theo cấu tạo

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch

dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong

hoặc ngoài

Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch

từ 1,5 - 3,5 m/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 Gồm:

− Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

− Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực

phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:

− Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

− Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ

1.2.4.2 Phân loại 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 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 100oC, áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục 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 dư: dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

− 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 hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

− Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình công nghệ

1.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nói trên ta chọn thiết bị cô đặc 3 nồi, ngược chiều, phòng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.

 Ưu điểm:

− Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi đầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy Kết quả là hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy Ngoài ra lượng bốc hơi ở cuối nồi sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ngược chiều, do đó lượng hơi nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn

− Hệ thống này thường dùng cho dung dịch có độ nhớt cao, ăn mòn

 Nhược điểm:

− Do dung dịch đi từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao nên không

tự di chuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung dịch,, làm tăng chi phí

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Dung dịch ban đầu trong thùng chứa được bơm ly tâm bơm lên thùng cao vị qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt Tại thiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 3.Tại nồi 3 dung dịch KOH bốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ, được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt Còn sản phẩm được bơm vào nồi 2 để tiếp tục quá trình cô đặc, và sản phẩm của nồi 2 được bơm đi làm nguyên liệu cô đặc của nồi 1, tiếp tục cô đặc đến khi đạt được nồng độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm Ở nồi 1 hơi đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơi thứ của nồi 1, hơi đốt của nồi 3 là hơi thứ của nồi 2, còn hơi thứ của nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ.

CHƯƠNG 2 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ

NĂNG LƯỢNG

1.Tính cân bằng vật liệu :

Thông số và số liệu ban đầu

Dung dịch cô đặc : KOH

Nồng độ đầu của dung dịch : 12%

Nồng độ cuối của dung dịch : 30%

Năng suất tính theo dung dịch đầu : 10000kg/h

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

W=Gđ(1- ) = 10000(1-) = d 6000 (kg/h)

c

x x

12 30

Trong đó:

Gđ , Gc : lượng dung dịch ban đầu, dung dịch cuối, kg/h

1.1.1 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi:

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

Chọn phân bố hơi thứ theo tỉ lệ: = 1,1

Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính ra được lượng hơi thứ bốc ra các nồi theo công thức: W = W1 + W2 +W3 = 6000 kg/h

Nồi 1: W1 = 2193,353kg/h

Nồi 2: W2 = 1993,958 kg/h

Nồi 3: W3 = 1812,689 kg/h

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

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

x1 = % khối lượng = = 30 % khối lượng

x2 = % khối lượng

= = 19,376 % khối lượng

x3 = % khối lượng = = 14,657 % khối lượng

d d d

d d d

d d d

G x

G −

10000.12

10000 1812,689−

x1, x2 , x3 - nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối lượng;

W1, W2, W3 - lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h;

xđ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng;

Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/h;

2 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG :

2.1 Xác định áp suất mỗi nồi :

Gọi P1, P2 , P3, Pnt: là áp suất ở nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

:hiệu số áp suất hơi đốt của nồi 1 so với nồi 2

:hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 2 so với nồi 3

∆P3: hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ

:hiệu số áp suất của toàn hệ thống

Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hòa

P

P+

∆

∆

∆P3 = 0,328 at

Ta có: ∆P1 = P1P2

∆P2 = P2P3 ∆P3 = P3 – Pnt Suy ra: P2 = P1 - ∆P1 = 3,52,051 = 1,449 at

P3 = P2 - ∆P2 = 1,449 0,821 = 0,628 at

2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi

Gọi: thd1 , thd2 , thd3, tnt : nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2 , tht3 :nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3

Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 10C (10C chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống dẫn), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng thì bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 10C.Tra bảng I.250, ST QTTB T1 / 312 và I.251, [2] / 314

Bảng 2.1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi

P (at) T(oc) P (at) T (oc) P (at) T(oc) P

(at)

T(oc)Hơi đốt 3,5 137,9 1,449 109,68 0,628 86,564

2.3 Xác định tổn thất nhiệt trong các nồi:

Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống

2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆’):

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt

độ sôi của dung môi nguyên chất

Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:

Theo Tisencô: ∆’ = ∆o’f

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

Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu lớp dung dịch : Ở trên bề mặt thì bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất trên mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống Trong tính toán,

ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch :

Ptb = Po + (h1 + ) (at)

Với Po: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch

h1:chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, chọn h1 = 0,5m cho cả 2 nồi

h2: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 3m cho cả 3 nồi

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

= g: gia tốc trọng trường, m/s2

Để tính ttb của dung dịch KOH ứng với Ptb ta dùng công thức Babo:

()t = contsTrong đó:

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

Ps: 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= 30% ts1 = 113,44oC (theo bảng I.204/236 –[1])

Pht = 1,497 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,642 at

1 1,6421,59→

10,81,25=

→

0,74

0,9280,8 =

11,18→

0,3990,85

Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1oC

Tổn thất nhiệt độ do trở lực gây ra trên cả hệ thống = 3oC

2.4 Cân bằng nhệt lượng

2.4.1 Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)

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

C = 4186.(1 x), J/kg.độ CTI.43/52

x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng(%)Nhiệt dung riêng dung dịch đầu :

Cđ = 4186.(1 0,12) = 3683,68 J/kg.độNhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3 :

C3 = 4186.(1 0,14657) = 3572,458 (J/kg.độ)Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 :

C2 = 4186.(10,19376)= 3374,921 (J/kg.độ)Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x>20%

C = Cht.x + 4186.(1x) J/kg.độ I.44/152Theo công thức :

MKOH.Cht = CiNi I.41/152

M : Khối lượng mol của hợp chất

Ci : nhiệt dung riêng của đơn chất

Ni : số nguyên tử trong phân tử

CK = 26000 (J/kg.độ) ; CO = 16800 (J/kg.độ) ; CH = 9630 (J/kg.độ)

Cht =

=(26000.1 + 16800.1 + 9630.1) = 903,97 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 :

C1 = 903,97.0,3 + 4186 (10,3) = 3201,39 (J/kg.độ)

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

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

Tra bảng I.249 STQTTB,T1/trang 310, bảng I.250 STQTTB,T1/trang 312)

Bảng 2.4 Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng của hơi thứ, hơi đốt và nhiệt

độ sôi của dung dịch trong các nồi.

oC)

1 137,9 2737,1 4282,6 110,68 2697,1 3201,39 124,92

2 109,68 2695,4 4232,6 87,56 2657,6 3374,92 96,9

3 86,56 2655,8 4223,3 69,7 2625,8 3572,45 76,14

2.4.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng

– 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 dịch vào và ra (J/kg.độ)

→

1( K K O O H )H

ct

n c n c n c

158

−

– 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)

– 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: vào =

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

Bảng 2.5 Bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng của 3 nồi

Nồi 1 Vào Hơi đốt mang vào D1.I1

Dung dịch mang vào (Gđ(W2+W3 )).C2.ts2

Dung dịch mang ra (GđW).C1.ts 1

Nước ngưng mang ra D1.Cn1.1

Tổn thất nhiệt chung 1 0,05D1(I1- Cn1.1)

Nồi 2 Vào Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1) D2.I2=W1.i1

Dung dịch ở nồi 1 mang vào (Gđ-W3).C3.ts3

Dung dịch mang ra (Gđ-(W2+W3)C2.ts2

Nước ngưng mang ra D2Cn22

Tổn thất nhiệt chung 2 0,05D2(I2- Cn2.2)Nồi 3 Vào Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2) D3I3=W2i2

Dung dịch nồi 2 mang vào GđCđtđ

θθ

θθ

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

Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi 1 và nồi 2, (tra Bảng I.250/312 )

−−

1θ−1

θ

⇒−1

θ−−−−

Nồi 2:

W1i1+( Gđ–W3)C3ts3 = W2i2+( Gđ– W2 – W3)C2ts2 + W1Cn2 + 0,05W1(i1Cn2) W1(0,95i10,95Cn22) +W2(C2ts2i2) +W3(C2ts2C3ts3) = Gđ(C2ts2C3ts3) (2)Nồi 3:

W2i2+GđCđtđ = W3i3 + (Gđ-

W3)C3ts3 + W2Cn2+

W2(0,95i20,95Cn33) +W3(C3ts3i3) = Gđ(C3ts3Cđtđ) (3)

Mà: W = W1 + W2 + W3 = 6000 (4)Giải hệ 3 phương trình 3 ẩn ,(2),(3), (4) ta có:

Lượng hơi đốt vào nồi 1 tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi 1:

D1 = 2819,102 kg/h

2

θ−2θ

⇒θ−−−−

2θ

30%

(W W W )

d d

Nồi 1 : x = 30% chọn chất chuẩn là nước

 t1 = 35oC dựa vào số liệu từ bảng I.21/33/STQTTBT1 ta tìm được d1

= 1,207 g/cm3

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

CN = n.CM = n.= 1

Trong đó : C% nồng độ dung dịch KOH

n là tổng điện tích ion K+ trong phân tử

d là khối lượng riêng của dung dịch KOHSuy ra : CN = 6,47 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102/T1, ta có = 1,6.10-3 (N.s/m2)

nhiệt độ của nước tương ứng với : = 3,37 oC

 t2 = 40oC dựa vào số liệu từ bảng I.21/33/STQTTBT1 ta tìm được d2

%.1056

T

µθ1

= 1,187 g/cm3

Suy ra CN = 6,36 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102/T1, ta có = 1,45.10-3 (N.s/m2)

nhiệt độ của nước tương ứng với : = 6,4oC

Tra toán đồ I.21/102/T1, ta có = 1,245.10-3 (N.s/m2)

nhiệt độ của nước tương ứng với : = 12,029oC

 t2 = 40oC dựa vào số liệu từ bảng I.21/33/STQTTBT1 ta tìm được d2

= 1,093 g/cm3

Suy ra CN = 4,041 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102/T1, ta có = 1,08.10-3 (N.s/m2)

nhiệt độ của nước tương ứng với : = 17,167oC

2

T

µ

Suy ra CN = 2,97 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102/T1, ta có = 1,03.10-3 (N.s/m2)

nhiệt độ của nước tương ứng với : = 19oC

 t2 = 40oC dựa vào số liệu từ bảng I.21/33/STQTTBT1 ta tìm được d2

= 1,049 g/cm3

Suy ra CN = 2,92 (dlg/l)

Tra toán đồ I.21/102/T1, ta có = 0,8.10-3 (N.s/m2)

nhiệt độ của nước tương ứng với : = 30oC

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

: khối lượng riêng (kg/m3)

M : khối lượng mol của chất lỏng

3µ

1

0,3560,3 1 0,3

i

+

⇒

= 0,382 (W/m.độ)

Nồi 3 mi3 = 0,056

M3 = 20,128 = 3,58.10-8.3572,458.870,23

r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

H: chiều cao ống truyền nhiệt (H=3 m)

2

λ

3 901,4520,926

3

λ

3 870,2320,128

α

4 1

tT: nhiệt độ của thành ống truyền nhiệt

thđ: nhiệt độ của hơi đốt

: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ và nhiệt độ thành

12

2234,9.102,04.184,766 9507,842

α

Nhiệt tải riêng phía hơi đốt nồi 2:

(W/m2)

Nồi 3:

(W/m2.độ)

Nhiệt tải riêng

phía hơi đốt nồi 3:

(W/m2)

3.3.2.Về phía dung dịch sôi

Ta có:

Với: là hệ số hiệu chỉnh

là hệ số cấp nhiệt của nước

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

13

2293,3.102,04.172,177 9686,02

2 145 ,

Mà: Δt = q1.Σr với Σr là tổng nhiệt trở

Trong đó:

Δt : hiệu số nhiệt độ giữa hai bên thành thiết bị

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 nhiệt

: 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

tT2: nhiệt độ bề mặt thành ống phía dung dịch

to: nhiệt độ của chất lỏng sôi

Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311

3.4 Tính hế số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi

Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi như nhau nên nhiệt độ hữu ích phân bố trong các nồi là:

(công thức VI.20, [2]/ 68)

i

i i

Q K

Q K

Trong đó:

:lượng hơi đốt của mỗi nồi

:ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước

1

1688563,79

2347,164719,406

Q

3

2 2 2

1429427,141

2072,871689,588

Q K

3

3 3 3

1211627,152

1972,833614,156

Q K

 Nhiệt độ hữu ích của từng nồi là:

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

− Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

− Bề mặt truyền nhiệt của nồi 2:

− Bề mặt truyền nhiệt của nồi 3:

Dựa vào F1, F2, F3 ta có thể thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi có diện tích truyền

0 1

2347,164

.35,903 13,182( )6392,868

hi

0 2

2072,871

.35,903 11,641( )6392,868

hi

0 3

1972,833

.35,903 11,08( )6392,868

1

1688563,79

178,058 hi 719,406.13,182

2

1429427,141

178,066 hi 689,588.11,641

3

1211627,52

178,054 hi 614,156.11,08

nhiệt bằng nhau và bằng 200m2.

Đường kính trong của ống truyền nhiệt: dt=34 (mm)

Chọn chiều cao của ống truyền nhiệt: h=3(m)

Số ống truyền nhiệt:

(ống)

Theo bảng quy chuẩn

số ống truyền nhiệt theo bảng V.11, STQTTBT2/ 48

t

F n

d h

( 1) 4

D =t b− + d

Chọn t=1,3.dn

Chọn Dt=1,6(m) (bảng XIII.6, [2]/ 359)

3.1.3 Chiều dày buồng đốt:

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép chiệu nhiệt CT3

Bề dày buồng đốt được xác định theo công thức :

(m) (công thức XIII.8,STQTTB,T2/ 360)

Trong đó :

Dt : đường kính trong của buồng đốt (m), Dt =1,6 (m)

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

(Theo bảng XIII.8,STQTTB,T2/ 362)

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

C=C1+C2+C3

C1: bổ sung do ăn mòn (chọn 1mm)

C2: bổ sung do hao mòn, (bỏ qua)

C3: bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, Theo bảng XIII.9,STQTTB,T2/364 ta chọn : C3 = 0,4 mm C=1+0,4

σσ