Hoàn thành thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có phòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaOH

Hoàn thành thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có phòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaOH

1 Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 7

2 Lượng hơi thứ bốc ra khỏi mỗi nồi 7

4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống 8

5 Chênh lệch áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 8

6 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi 9

7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 10 7.1/ Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao 10 7.2/ Tổn thất nhiệt độ do nồng độ 11 7.3/ Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống 12

8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 12 8.1/ Nhiệt độ hữu ích của hệ thống 12 8.2/ Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong từng nồi 12

9 Tính lượng hơi đốt, lượng hơi thứ trong từng nồi 13 9.1/ Tính nhiệt dung riêng của dd KNO3 13 9.2/ Các thông số của nước ngưng 14 9.3/ Lập phương trình của cân bằng nhiệt lượng 14

10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 16

10.1/ Tính hệ số cấp nhiệt 1 khi ngưng tụ hơi 16 10.2/ Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 17 10.3/ Tính hệ số cấp nhiệt 2từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 18 10.4/ Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 20

11 Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi 21

12 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi 21

1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ Baromet 23

2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ Baromet 23 2.1/ Tính lượng nước lạnh G cần thiết để ngưng tụ n 24 2.2/ Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ 24 2.3/ Tính kích thước tấm ngăn 23 2.4/ Tính diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang

2.6/ Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ 26

2.7/ Kích thước ống Baromet 27

2.9/ Tính lượng hơi nước và không khí ngưng 28

V.A.1/ Xác định số ống trong buồng đốt 29 V.A.2/ Xác định đường kính trong buồng đốt 30 V.A.3/ Xác định chiều dày phòng đốt 30

V.A.5/ Tính chiều dày đáy nồi phòng đốt 34 V.A.6/ Tìm bích để lắp đáy và thân, số bulong cần thiết

V.B.5/ Tìm bích để nắp vào thân buồng bốc 41

V.C.1/ Tính đường kính các ống dẫn hơi dung dịch vào và ra thiết bị 41

1.5/ Ông tháo nước ngưng 44

I.Phần mở đầu:

Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế thiết bị, hệ thống thiết

bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản xuất, sinh viên khoa công Nghệ Hoá học được nhận

đồ án môn học“ Qúa trình & Thiết bị công Nghệ Hoá học“ Việc làm đồ án là một công việc tốtgiúp cho mỗi sinh viên trong bước tiếp cận tốt với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượngkiến thức của giáo trình“ Cơ sở các quá trinh & thiết bị Công Nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượngkiến thức đó và lượng kiến thức của môn học khác, mỗi sinh viên biết dùng tài liệu tham khảotrong tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong thiết kế, tự nâng cao kỹ năng vậndụng, tính toán, trình bày nội dung thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề mộtcách có hệ thống

Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều cóphòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaOH, năng suất 6480 kg/h, nồng độ đầu 7%,nồng độ sản phẩm 22%

Quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan( không hoặc khó bay hơi)trong dung môi bay hơi Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch

ở dạng hơi, còn dung chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất

sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp nay cùng bay hơi, chỉ khácnhau về nồng độ ở mỗi nhiệt độ Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ,hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng 1 thiết bị khác

Cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa về sử dụngnhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơibốc lên ở nồi này được đưa vào nồi thứ 2 để làm hơi đốt, hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm hơi đốt chonồi thứ 3… Hơi thứ ở nồi cuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồiđầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốchơi Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến Ưu điểm của loại này là dung dịch

tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi Nhược điểm của nó là

nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt của dung dịch tăngdần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

II.Sơ đồ mô tả dây chuyền sản xuất

Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục :

Dung dịch đầu(NaOH) được bơm( 6) đưa vào thùng cao vị số( 5) từ thùng chứa, sau đó chảyvào thiết bị trao đổi nhiệt( 3) ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt

độ sôi rồi đi vào nồi 1 ở nồi 1, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ốngchùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóngdung dịch Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung môi bốchơi lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phậntách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua bọt Hơi thứ ra khỏi nồi 1 đượclàm hơi đốt cho nồi 2 Dung dịch từ nồi 1 tự di chuyển sang nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suấtlàm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơnnhiệt độ của nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả làdung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quátrình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dungdịch do đó cần phải tiêu tốn thêm 1 lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôichiều dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu được đun nóng sơ bộ

Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được đưa vào thùng chứa sản phẩm Hơi thứ bốc ra khỏi nồi thứ

2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ barômet Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuốnghơi cần ngưng đi từ dưới đi lên, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet( 10) ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi vào bơm hút chân không

III.Tính thiết bị chính:

Các số liệu đầu :

 Năng suất tính theo dung dịch đầu Gd = 12600 [ kg/ h ]

 Nồng độ đầu của dung dịch x  d 6%

 Nồng độ cuối của dung dịch x  c 25%

 Áp suất suất hơi đốt P15 [at]

 Áp suất hơi ngưng tụ P2 0,2 [at]

1 Tổng lưọng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống : W ( kg/h )

2 Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi:

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 :W , [kg/h]1

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 :W , [kg/h]2

Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là: W :W1 2 1:1,03

x

x 

  [4-57]

Ta có:

Ta được x2 x c: phù hợp với số liệu ban đầu

4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống : ∆p

Theo công thức:  p p1 png

Ta có:   p 5 0, 2 4,8 [at]

5 Chênh lệch áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi:

Gọi ∆pi: chênh lệch áp suất trong nồi thứ i [at]

Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là: p : p1  2 2, 47 :1

Tính áp suất hơi đốt từng nồi suy ra nhiệt độ hơi đốt:

Theo công thức pi pi-1 pi-1

- Nhiệt hoá hơi: r1 2117 kJ/kg 

 Nồi 2: với p2 1,583 at  ta được : - Nhiệt độ hơi đốt: o

2

T 112,36 C

- Nhiệt lượng riêng: i2 2702,15 kJ/kg 

- Nhiệt hoá hơi: r2 2227,85 kJ/kg 

 Với png 0, 2 at  ta được: Tng 59,7 Co

6 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi:

Gọi t ' : nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i (i =1,2)i

i''': tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (chọn o

1''' 2''' 1 C

   )Theo công thức: t ' Ti  i+1 i''' oC ta có:

 Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là: t ' T1  2  1''' 112,36 1 113,36  oC

 Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là: t ' T2  ng 2''' 59, 7 1 60,7   oC

 Tra bảng I.250 [3.314] (Tính chất lý hóa của hơi nước bão hòa phụ thuộc nhiệt dộ) ta có :

 Nồi 1: với t ' 113,36 C1  o ta được: - Áp suất hơi thứ: p ' 1,6381  [at]

- Nhiệt lượng riêng: i ' 2701,38 KJ/Kg1   

- Nhiệt hoá hơi: r ' 2225, 26 KJ/Kg1   

 Nồi 2: với o

2

t ' 60,7 C ta được : - Nhiệt độ hơi đốt: p ' 0, 21 at2   

- Nhiệt lượng riêng: i ' 2609,59 KJ/Kg2   

- Nhiệt hoá hơi: r ' 2355, 26 KJ/Kg2   

Bảng tổng hợp số liệu 1:

P, at T, oC i, KJ/Kg r, KJ/Kg p’, at t’, oC i’, KJ/Kg r’, Kj/Kg

1 5 151,1 2754 2117 1,638 113,4 2701,38 2225,26 9.5

2 1,583 112.4 2702.15 2227.85 0,21 60,7 2609,59 2355,26 25

7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi:

7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh tăng cao ∆i’’:

 : Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn của dung môi ở ápsuất khí quyển.

 Với nồi 1 ta có:

o s1 tb1



 Với nồi 2 ta có:

o s2 tb2

Tính nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi theo công thức: tsi     t 'i i' i'' oC

8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

0 2

T 151,1 117, 44 33,66

T 112,36 77, 24 35,12

C C

D: lượng hơi đốt cho vào nồi 1

C0, C1, C2: nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2

9.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịchNaNO :3

Với dung dịch loãng x 20% nhiệt dung riêng tính theo công thức:

C 4186 (1   x) [3-152]

 Dung dịch ban đầu có x d 6%nên ta có:

2N: c 26000[j/kg nguyên tử.độ]

3O: c 16800[j/kg nguyên tử.độ]

θ T 151,1 C; θ T 112,68 CNhiệt dung riêng của nước ngưng:

Tra bảng I.249 [ 3-310 ] và nội suy với:

Với nồi 1:

Lượng nhiệt mang vào:

 do dung dịch đầu :G C t d 0 s0

 do hơi đốt: Di1 Lượng nhiệt mang ra:

Lượng nhiệt mang vào:

 do hơi đốt: W i1 2

 do dung dịch từ nồi 1: Gd W C t1 1 s1 Lượng nhiệt mang ra :

Kết hợp phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1 và nồi 2 với phương trìnhW +W1 2 Wta có

Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi: W : W1 1 1:1,03

Kiểm tra sai số:

10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:

10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi

Chọn ống truyền nhiệt có kích thước: 38  2[mm]

Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt :

Nồi 1 là: t11 4.77 C0  Nồi 2 là: t12 4.73 C0 Điều kiện làm việc: phòng đốt ngoài thẳng đứng (H<6m), hơi ngưng bên ngoài ống, màngnước ngưng chảy dòng nên hệ số cấp nhiệt tính theo công thức:

0,25 i

i 1i

r2,04 A

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

Nhiệt độ màng tính theo công thức:   1i

m1 1

0 12

Thay các số liệu vào ta có :

10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

Gọi q : Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i1i

Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt: tTi q1ir

Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt: r r1 r2 δ

Tra bảng II.V.1 [4 – 4] lấy:

  là nhiệt trở của chất tải nhiệt (hơi nước)

δ: bề dày ống truyền nhiệt, δ 2 10 3

 : khối lượng riêng [kg/ 3

m ]  : độ nhớt [Ns/m2]

Chỉ số dd: là dung dịch

Chỉ số nc: là nước

Các thông số của nước :

 Tra bảng I.129 [3 – 133] và nội suy ta có :

Nồi 1: ts1117, 44 C0  λnc10,6859 [W/m.độ]

Nồi 2: ts2 77, 24 C0  λnc2 0,6726 [W/m.độ]

 Tra bảng I.5 [3 – 11] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1117, 44 C0  ρnc1945,35 kg/m 3Nồi 2: ts2 77, 24 C0  ρnc2 973,52 kg/m 3

 Tra bảng I.148 [3 – 166] và nội suy ta có :

Các thông số của dung dịch :

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaNO tính theo công thức:3

o 1

t 40 C và x 2 25% ta có 3 2

22

μ 0,95 10  Ns/m Tra bảng I.102 [3-94] ta có:

32

20 40 40 77, 24

θ 42,54 C11,60 22, 41 22, 41 θ

ncCJ/kg.độ

ddCJ/kg.độ

ddλW/m.độ

ncλW/m.độ

3 dd 2

μ 10N.s/m

3 nc 2

μ 10N.s/m

Theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt cấc nồi

bằng nhau và nhỏ nhất thì áp dụng công thức: i tbi

i

qKt



 [W/m2.độ]

Thay số ta có:

tb1 1

Lượng nhiệt tiêu tốn :

3 1

j j=1

j=1 j

QK

QK

Nồi Ki

[W/m2.độ]

iQ

W

iT

1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet:

2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ baromet:

- Lượng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc:W2 4857,93 kg/h 

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ là: Png 0, 2(at)

Với : i: nhiệt lượng riêng của hơi nước ngưng ing 2607 kJ/kg 

t ,d t :nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh Chọn c o

Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ, đường kính lỗ là 5 mm (nước làm nguội là nước bẩn), chiềudày tấm ngăn là 4 mm.

2.4/ Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ:

Tính theo công thức:  

3 2 n

ff

f Thay vào ta được t 0,866 5 (0,1)   0,5 5 6,37 (mm)

2.6/ Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ:

Mức độ đun nóng thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức sau:

Tra bảng số liệu ta có:

Đường kínhcủa tia nước

Ta có chiều cao của thiết bị ngưng tụ: H 8 400 3200 mm    

Thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đókhoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên trên khoảng 50 mm cho mỗingăn Khi đó chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ là H' Khoảng cách trung bình giữa các ngăn

là 400 mm, ta chọn khoảng cách giữa hai ngăn dưới cùng là 450 mm

p

h 10,33

760

Với p là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ Ta có:ck

3 Tính toán bơm chân không:

Công suất của bơm tính theo công thức:

m 1 m

k kk 2 b

Tra bảng II.58 [3_513]Bơm chân không vòng nước PMK

Chọn bơm PMK 1, quy chuẩn theo công suất trên trục bơm :

Công suất Nb 3, 75 kW

Số vòng/phút: n 1450 (vòng/phút)

Công suất động cơ điện đã quy định : Ndc 4,5 (kW)

Lưu lượng nước : 0,01 m /h3 

F : Tổng bề mặt truyền nhiệt, quy chuẩn theo [4-80] chọn F 100 m 2

Ta chọn đường kính ngoài của ống truyền nhiệt là dn 38 mm với bề dầy là 2 mm d: dường kính trong của ống truyền nhiệt(do α1α2), dtr 38 2 2 34   mm l: chiều cao ống truyền nhiệt, l 5 (m)

 số ống trên hình xuyên tâm của hình sáu cạnh :15

 tổng ống không kể các ống trong hình viên phân : 169

 số ống trên hình viên phân ở dãy thứ nhất :3

 số ống trên hình viên phân ở dãy thứ hai, thứ ba : 0

 tổng ống trong tất cả các hình viên phân : 18

 tổng số ống của thiết bị :187

V.A.3/ Xác định đường kính trong của buồng đốt:

Tính theo công thức : Dtr t b 1  4d

t : bước ống thường lấy t1, 2 1,5 d 

d đường kính ngoài của ống truyền nhiệt d 38 mm

b số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh b 15

Thay số ta có :

 

tr

D 1, 2 0,038 15 1   4 0,038 0,79 (m)

Quy chuẩn theo bảng XIII.6 chọn Dtr 800mm

V.A.4/ Xác định chiều dày phòng đốt:

Kiểu buồng đốt: Thiết bị nhóm (các chi tiết, bộ phận không bị đốt nóng hay được cách ly với

nguồn đốt nóng trực tiếp ) Thiết bị không dùng để sản xuất và chứa ở các áp suất cao hoặc sảnxuất hoặc chứa các chất cháy nổ, độc ở áp suất thường (loại II ) Thân hình trụ hàn, là việc chịu

áp suất trong, kiểu hàn giáp nối hai bên, hàn tay bằng hồ quang điện.Vật liệu chế tạo thép CT3 Tra bảng XII.4 [4_309]

σ

δ ηm11000ηpn

  [4-346]

ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn kéo là:   k

k k

δ

δ ηm11000ηpn

D : đường kính trong phòng đốt, mtr

δ : ứng suất cho phép của vật liệu, N/mb 2

φP: hệ số bền hàn của thanh trụ theo phương dọc, ta chọn hàn bằng tay với Dtr 700mm,thép CT3 nên φP 0,95

c: là tổng các hệ số: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (đểchống ăn mòn khi gia công), chọn c ở môi trường ăn mòn c = 2 (mm)

P : áp suất bên trong thiết bị b P = 5 atb

Ta có :

8 b

4 b