CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I Dữ kiện ban đầu:

Dung dịch đường mía

Nồng độ đầu xđ = 20 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC

Nồng độ cuối xc = 50%

Năng suất Vđ =1,6m3/h

Aùp suất ở thiết bị ngưng tụ: P = 0,4 at

II Cân bằng vật chất:

1 Suất lượng nhập liệu (Gđ):

Khối lượng riêng của dung dịch nhập liệu :  = 1082,87 (kg/m3) (Bảng I.86 – trang 58 –Bảng I.86 – trang 58 – Sổ tay QT& TB CN Hóa chất – Tập 1).).

Suất lượng dung dịch ban đầu:

Gđ =1,6 1082,87 = 1732,592 (kg/h)

Theo công thức 5.16, QT và TBTN T5, tr184:

Gđ*xđ = Gc*xc

Gc = Gđ* xd

xc

  = 1732,592* 20

50

  = 693,037 kg/h

2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):

Theo công thức 5.17, QT và TBTN T5, tr184:

W = Gđ – Gc = 1732,592 – 693,037 = 1039,555 kg/h

Trong đó: Gc – suất lượng tháo liệu (năng suất), kg /mẻ

III Cân bằng năng lượng:

1 Cân bằng nhiệt lượng:

Nhiệt vào:

- Do dung dịch đầu: Gđcđt’

1

- Do hơi đốt: Di’’

D Nhiệt ra:

- Hơi thứ mang ra: Wi’’

W

- Nước ngưng tụ: Dc

- Sản phẩm mang ra: Gccct’’

1

- Nhiệt cô đặc: Qcđ

- Nhiệt tổn thất: Qtt

Thành lập phương trình cân bằng nhiệt: (theo công thức 5.19, QT và TBTN T5, tr 294)

Gđcđt’

1 + Di’’

D = Wi’’

W + Dc + Gccct’’

1 ± Qcđ + Qtt

Từ phương trình ta rút ra: theo công thức 5.20, QT và TBTN T5, tr 294

























c i

Q c

i

Q t t c

G c

i

t c i W D

D

tt D

cđ đ

đ D

c w

'' ''

' '' ''

''

i’

W – cct’

1=2317,4 KJ/Kg là ẩn nhiệt hoá hơi của hơi thứ với áp suất 0,42at Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443

I’’D   c =2171KJ/Kg là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3at

Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443

Quá trình cô đặc mía đường có Qcđ=0 Đây là quá trình cô đặc liên tục nên

t’

1=t’’

1 Chọn tổn thất nhiệt là 5% ta tính được lượng hơi đốt là:

1039,55* 2317, 4 0,05

2171

D

hay D=1135,5 Kg/h

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

Theo công thức 4.5a, VD và BT T10, trang 182:

1135,5

1,092 1039,55

D m W

   ( kg hơi đốt / kg hơi thứ )

Trong đó:

D - lượng hơi đốt dùng cô đặc, D = 1135,5 kg/h

- lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 1039,55 kg/h

2 Chế độ nhiệt độ:

Aùp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hoà 3 at.Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: nhiệt độ hơi đốt là 132,9oC

Gọi  ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo

QT và TBTN T5, tr184, chọn ’’’ = 1 oC

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(Po):

Tsdm(Po) - Tc = ’’’ = 1K  Tsdm(Po) = Tc +1 = 75,4 +1 = 76,4 oC

Aùp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: ở nhiệt độ hơi thứ là 77,5oC là 0, 42 at

3 Xác định nhiệt độ tổn thất :

a Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (’):

Theo công thức 5.3, QT và TBTN T5, tr174:

’ = ’o f

Ở đây :

o’ - tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển Tra từ đồ thị.(Hình VI.2, Sổ tay tập

2, tr 60), o’=2

f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:

2

(273 ' )

i

t r



2

(273 76, 4)

2317, 4.10





t’i : nhiệt độ hơi thứ của nồi

ri : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi ở nhiệt độ t’i Tra bảng I.251, Sổ tay tập 1,tr.314

b Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (’’ ):

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:

P = 21 S.g.Hop =1 4

(0,5.1178,53)10 9,8.0,688 0,199

Trong đó:

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

s =0.5 dd

dd : Khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m3

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,m

Hop = [0.26+0.0014(dd-dm)].Ho Tra sổ tay ta có được bảng sau:

Coi dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến độ sâu trung bình của chất lỏng

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho= 1,5 m

Hop = [0,26+0,0014(dd-dm)].Ho=[0,26+0,0014(1231,74-974,89)]*1,5=0,929 ,m Áp suất trung bình:

Ptb= P’+P=0,4+0,5.0,5.1231,74.10-4.0.929=0.428 at Tra sổ tay tại Ptb=0.428 (at) ta có t”1=76,94 0C

Suy ra : ”=76,94– 75,4 = 1,540C

Hiệu số nhiệt độ hữu ích

ti1=TD – (Tc+) =132,9 – (75,4+1,7+1,54+1)=53,26 0C

xC (%k.l) ’o

(0C )

t’

( 0C )

r.10-3 (j/kg )

’

(0 C )

TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

I Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:

1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1):

Theo công thức (V.101), sổ tay tập 2, trang 28:

0,25

1

1

2171.10

* 8777,52.5,62 49329,64 (1)

r A







Trong đó:

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at

Tra bảng 57, VD và BT tập 10, trang 447: r = 2171.103 J/kg

H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1.5 m

A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (tD + tv1)/2

A tra ở sổ tay tập 2, trang 28

với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng

1 - hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2K

2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2):

Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:

0,435 2

0,565

2 * dd * dd * dd * n

n

C C



       

 

0,435

0, 254 1231,74 3224, 4 0,375

0,664 974,89 4190 1, 462

2

W m K

Trong đó:

n -hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

n = 0.145 p0,5 t2,33 0,145 0, 428.9,81.10 40,5112,782,33 14145,06 trang

26 STT2

Cdd - nhiệt dung riêng của dung dịch

Cn - nhiệt dung riêng của nước

dd - độ nhớt dung dịch

n - độ nhớt nước

 dd - khối lượng riêng dung dịch

n - khối lượng riêng nước

dd - độ dẫn điện dung dịch

 - độ dẫn điện nước

Nồng độ n  dd dd n Cdd Cn dd n

15% 974,89 1231,74 1,462.103 0.375.1033224,4 4190 0.269 0.664

Ghi chú:

Các thông số của dung dịch:

Cdd = 4190 – ( 2514 –7,52*t )*x=4190- (2514-7,52.76,4)0,5 = 3224,4 J/kg.K

dd: Tra bảng 1.112 trang 114 sổ tay tập 2

 dd: tra bảng I.86 sổ tay tập 1 trang 58

dd: theo công thức ( I.32 ) sổ tay tập 1 trang 123:

8

3

8

3

1231, 74

dd

dd

C

M

W mK









Các thông số của nước tra bảng 39 trang 427 và bảng 57 trang 447 sổ tay tập 2

3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv):

Theo BT và VD tập 10:

qv =

v

v

v

r

t

t



1

 tv = tv1 -tv2 = rv*qv = 0,75.10-3* qv =0,75.103.51810,6=36,990C (3) Trong đó:

rv - tổng trở vách

rv = r1 + / + r2

= ( 0,464 + 2/17,5 + 0,172 )*10-3 = 0,75.10-3 W/m2K

Trong đó:

r1 - nhiệt trở màng nước, r1 = 0,464.10-3 m2 oK / W

r2 - nhiệt trở lớp cặn, r2 = 0,172.10-3 m2 oK / W

Tra ở bảng 31 trang 419 VD&BT T10

 - bề dày ống,  = 2 mm

 - hệ số dẫn nhiệt của ống,  = 17,5 m2 oK / W (với ống là thép không gỉ )

Tra ở bảng 28 Vd&BT T10

tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, tv = tv1 - tv2, oK

4 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng:

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định:

q1 = q2 = qv (4)

tv1 = tD - tv1 (5)

tv =tv1 - tv2 (6)

t2 = tv2 - tsoitb (7)

Dùng phương pháp số ta lần lượt tính theo các bước sau:

Bước 1: Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: tv1, tính được t1 theo (5) với tD =

132,9oC

Bước 2: Tính được q1 theo (1)

Bước 3:Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, ta tìm 2 theo (2)

Bước 4: Tính tv theo (3) Tính được tv2 = tv - tv1

Bước 5: Tính  t2 theo (7) với tsoitb tra ở bảng 2 theo nồng độ

Bước 6: Tính được q2 theo công thức: q2 = 2 *  t2

Bước 7: So sánh sai số giữa q1 và q2

Nếu sai số lớn thì quay về bước 1 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ t1 Quá trình này dừng lại khi sai số bé hơn 5%

1)Chọn tv1=127,28oC ta tính được t1=5,62oC

2)Tính được q1=49329,64W/m2 và 1=8777,52 W/m2.độ

3)Tính được 2=3955,17 W/m2.độ

4)Tính được tv=36,99oC

5)Tính được tv2=90,28oC

6)Tính được  t2 =12,78oC

7)Tính được q2=50547,1W/m2

So sánh q1 và q2 ta thấy 2 1

2

50547,1 49329,64

50547,1

q q q

Nhiệt tải trung bình là:

qtb1=q 1 2q2

=50547,1 49329,64

2



=49938,7 W/m2

5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:

Trong đó giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

2 1

1 1

1





v r

K

=895,44 W/m2.độ

rv = 0,75.10-3 W/m2 oK

2=3955,17 W/m2.độ

1=8777,52W/m2.độ

K=895,44 W/m2.độ

6 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:

Q= D.r() =1168,1 2171=2,536.106 kj/h =704,43 kW

7 Diện tích bề mặt truyền nhiệt:

F =

hi

t K

Q

 = 704, 43*1000 14,77

895, 44*53,26  m2 Chọn : F = 16 m2.(QT và TN tập 5,trang 292)

TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

I Tính buồng bốc:

1 Đường kính buồng bốc:

Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:

3 1039,55

0, 25702 *3600

hoi

h

W



Trong đó:

W– lượng hơi thứ bốc hơi

h – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P = 0,42 at, tra bảng 57, VD và

BT tập 10, trang 443: ih=0,25702 kg/m3

Vận tốc hơi:

Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:

hoi

hoi

V

W

trong đó:

Db – đường kính buồng bốc, m

Vận tốc lắng:

Theo công thức 5.14, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, trang 182:

o

W

 

 

Trong đó:

' - khối lượng riêng của giọt lỏng, tra bảng 39, VD và BT tập 10, trang 427:' = 927 kg/m3

'' - khối lượng riêng của hơi tra bảng 57, Ví dụ và bài tập - tập 10, trang 443: '' = 0,25702 kg/m3

d - đường kính giọt lỏng, từ diều kiện ta chọn d =0,0003 m

g = 9,81 m/s2

- hệ số trở lực, tính theo Re:

* * " 1,5*0,0003*0,25702 6,49

Re

0,017 10 *

hoi



Với  - độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,42 at, tra theo Hình I.35 trang 117 sổ tay tập 1:  = 0,017.10-3Nm/s2

Nếu 0,2 < Re < 500 thì  = 18,5 / Re0,6   = 6,02*Db1,2

Theo QT và TBTN tập 5: whoi < 70% - 80% wo

Chọn:

Whoi < 70% Wo  1,432 0,7* 1,5330,6

Db > 1,26 m

Chọn Db = 1,4 m theo QTTN, trang293

Kiểm tra lại Re:

2

16,87

1

  (thỏa 0,2 < Re < 500 )

Vậy đường kính buồng bốc Db = 1200 mm

Chiều cao buồng bốc:

Theo CT VI.33, sổ tay tập 2, trang 72:

Utt = f*Utt (1 at), m3/m3.h

Utt = 1600*1,3 = 2080 m3/m3.h

Trong đó:

f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

Tra sổ tay tập 2,VI.3 trang 72 ta có f = 1,3

Utt(1 at ) - cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất khí quyển, at

Ta chọn cường độ bốc hơi: Utt(1 at ) = 1600 m3/m3.h (theo Ví dụ và bài tập - tập 10 ) Cường độ bốc hơi riêng ( wF ):

wF = Utt*h =2080*0,2456 = 510,85 kg/m3.h

Thể tích buồng bốc:

Vb = W / wF = 1039,55 / 510,85 = 2,07 m3

Chiều cao buồng bốc:

2 2

1,345

b

b

bb

V

D

Để an toàn ta chọn Hb = 1,5 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt)

II Kích thước buồng đốt:

1 Xác định số ống truyền nhiệt :

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức : n= .F d.l



F= 16 m2 : bề mặt truyền nhiệt

l = 1,5 m : chiều dài của ống truyền nhiệt

d : đường kính ống truyền nhiệt

chọn loại ống có đường kính : 38 x 2 mm

do 1> 2 nên lấy d = dt = 34 mm

Vậy số ống truyền nhiệt là :

n= F.d.l

3.14*0.034*1.5  ống

Chọn số ống n= 127 ống (bảng V.11 STQTTB trang 127)

2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm :



t th

f

Theo QTTN, trang 290

t 0, 25 0,35

D

f

Chọn ft = 0,3 FD =0,3

4

.d2 n

 =0,33,14*0,034 *1272

4 =0,023m2 Vậy :



th

f

D 4 = 4*0,023

3,14 =0.171 m Chọn Dth=0.219 m = 219 mm (QTTB T5 trang 290 )

3 Đường kính buồng đốt :

Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác đều thì đường kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức CT 3.86, QTTN, trang 218:

4

3

d

4

1, 4.0,034( 1 (127 1) 1) 4.0, 034 0,707

Chọn Dd= 800mm (theo QTTN, trang191)

Trong đó :

n

s

d = 1.4 : Hệ số, thường  = 1.3 –1.5

s=1.4*dn : Bước ống , m ( thường t = 1.2 – 1.5dn)

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

Dth  t( m-1 )

 m  1 0, 219 1 5, 6

1.4*0.034

th

D

Chọn m= 7 ống

Vậy số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm là :

2

m  n  n m     

n’ =37 ống

Số ống truyền nhiệt còn lại là:

n” = 127 –37 = 90 ống

Bề mặt truyền nhiệt F = 3.14*1.5*(90*0.034+0.219)=15,44 m2 > 15 m2 ( thoả mãn )

III Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu:

Đường kính các ống được tính theo công thức tổng quat sau đây:

d= 4..vG. m Trong đó :

G : lưu lượng lưu chất kg/s

v : vận tốc lưu chất m/s

 : khối lượng riêng của lưu chất kg/m3

1.Ống nhập liệu :

G= 1732,6 kg/h = 0,481 kg/s

Chọn v= 2m/s

 = 1082,87 kg/m3

d= 4..vG. = 4*0, 481

3,14* 2*1082,87 =0.0168 m Chọn : d =20m

2.Ống tháo liệu:

G= 2000 kg/h = 0.1925kg/s

Chọn v= 1m/s

 = 1231,74 kg/m3





v G 4

= 4*0.1925 3,14*1*1231,74 =0.0141 m Chọn : d = 20m

3.Ống dẫn hơi đốt :

D= 1169,37 kg/h = 0,3248 kg/s

Chọn v= 20 m/s

 = 1.618 kg/m3

d=





v G 4

= 4*0.3248 3,14* 20*1,618 =0.1131 m Chọn : d =120 mm

4 Ống dẫn hơi thứ :

G= 1039,55 kg/h = 0.288 kg/s

Chọn v= 20m/s

 = 0.2456 kg/m3

d=





v G 4

3,14* 20*0,2456 =0.2737 m Chọn : d =300 mm

5.Ống dẫn nước ngưng :

G= 1169,37 kg/h = 0.3248 kg/s

Chọn v= 2 m/s

 = 932 kg/m3

d= 4.v.G. = 4*0,3248

3,14* 2*932 =0.0148 m Chọn : d =20 mm

1.Tính thiết bị ngưng tụ baromet:

a Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ :

Gn= .(.( . ))

2 2

2 2

d c n

c n

t t C

t C i W





kg/s

W2 : lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ , W=1040 kg/h =0.2889 kg/s

i : hàm nhiệt của hơi ngưng , i =2607 kj/kg

t2C,t2D : nhiệt độ đầu ,cuối của nước làm nguội, lấy t2D=300C

t2C=tng – 10 =75,4 – 5 =70,4 0C

tng : nhiệt độ hơi bão hoà ngưng tụ

Cn : nhiệt dung riêng trung bình của nước, tra theo nhiệt độ trung bình.(Bảng I.147 STT1, trang 165)

ttb= 2 2 30 70,4

50, 2

c D

 Cn =0,999204cal/kg.độ=0,999204.4,1868.103= 4,18 kj/kg.độ

( ) 0, 2889*(2607 4.18*70, 4)

n c

n c D

W i C t

C t t

b Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị :

Lượng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet :

Theo CT VI.27 STT2, trang 84

Gkk=25.10-6.(Gn+W)+10-2.W

= 25.10-6*(3,95+0,2889)+10-2*0,2889=2,99*10-3 kg/s

Thể tích khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị :

Theo CT VI.49 STT2, trang 84

Vkk=

h ng

kk kk

p p

t G



 ) 273 ( 288

Với tkk =t2D+4+0.1 (t2C – t2D) theo CT VI.50, STT2, trang 84

=30+4+0.1*(71,5-30)=38,15 0C

png=0,4.9,81.102 =39240 N/m2 : áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ

ph =0,0686.9,81.104=6727,4 N/m2 : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp

ở nhiệt độ tkk

 Vkk =288* 2,99*10 (273 38,15)3

39240 6727, 4







 8,24.10-3 m3/s

c Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet :

1 Đường kính trong thiết bị (Dtr):

Theo VI.52, sổ tay tập 2, trang 84:

0, 2889

tr

W

 

Chọn đường kính trong của TBNT là 400 mm

Trong đó:

W – lượng hơi thứ ngưng tụ, W = 0,2889 kg/s

h – tốc độ hơi trong TBNT, chọn h = 20 m/s (theo sổ tay tập 2, trang

85 )

h – khối lượng riêng hơi, tra bảng 57, VD và BT tập 10, trang 443: ở 0,4 at được h = 0,2456

2.Kích thước tấm ngăn:

Thường cĩ dạng viên phân để làm việc tốt

a Chiều rộng tấm ngăn :

Theo CT VI.53, STT 2, trang 85

400

tr

D

b     mm

b.Bề dày tấm ngăn: theo STT2, trang 85: chọn  =4mm

c.Đường kính lổ :

Theo STT2: chọn nước sạch để ngưng tụ hơi thứ thì d=2mm

d.Chiều cao gờ tấm ngăn:

Theo STT2, trang 85, chọn chiều cao gờ là 40mm

Chọn tốc độ tia nước là 0,62m/s

3 Chiều cao bộ phận ngưng tụ và các kích thước cơ bản khác:

Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, ta có thể xác định bước của các lỗ bằng công thức sau:

t = 0,866.d

1/ 2 ( e )

tb

f

f (mm) Trong đó:

d: Đường kính của lỗ (mm) => d = 2mm

e

tb

f

f

: Tỷ số giữa tổng số diện tích tiết diện các lỗ với diện tích tiết diện của thiết

bị ngưng tu Chọn

e tb

f

f = 0,08

Suy ra: t = 0,49 mm

Mức độ đun nóng nước được xác định theo công thức sau:

P = 2 2

2

70, 4 30

75, 4 30

c d

ng d

t t

t t



Tra bảng VI.7 trang 86, [2], ta có các thông số sau:

 Số bậc: 4

 Số tấm ngăn: n = 8

 Khoảng cách giữa các ngăn: htb = 400mm

 Thời gian rơi qua 1 bậc: t = 0,41s Chiều cao của thiết bị ngưng tụ có thể tính theo công thức sau:

Hba = n.htb + 0,8 = 8 400 + 800 = 4000 (mm)

d Kích thước ống Baromet:

Theo CT VI.57, STT2, trang 86:

dba = 0.004( 2)

n

G W

 



(m) Trong đó: