Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều phòng đốt ngoài (Cô đặc dung dịch KNO3)

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều phòng đốt ngoài. Cô đặc dung dịch KNO với năng suất 11128 kgh ,chiều cao ống gia nhiệt h =4m.Các số liệu ban đầu : Nồng độ đầu của dung dịch là 12,7 % Nồng độ cuối là 29,9 % Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4 at Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

Họ và tên : Đoàn Thanh Dũng

Giáo viên HD : Nguyễn Thế Hữu

NỘI DUNG

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều phòng đốt ngoài Cô đặc dungdịch KNO3với năng suất 11128 kg/h ,chiều cao ống gia nhiệt h =4m

Các số liệu ban đầu :

- Nồng độ đầu của dung dịch là 12,7 %

- Nồng độ cuối là 29,9 %

- Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4 at

- Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.1.Sơ lược về quá trình cô đặc 7

1.2.Giới thiệu về dung dịch KNO3 8

Hình 1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất của cô đặc phòng đốt ngoài 10

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 12

2.1 Các số liệu ban đầu: 12

2.2 Cân bằng vật liệu 12

Tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống 12

Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi 12

Nồng độ cuối của dung dịch 12

2.3 Cân bằng nhiệt 13

2.3.1.Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р) 13

2.3.2.Chênh lệch nhiệt độ, áp suất hơi đốt 13

2.3.3 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi : 13

Bảng 2.1: 14

Bảng 2.2: 14

2.3.4 Tổn thất nhiệt: 14

2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích(): 16

Bảng 2.3: 17

2.3.6 Cân bằng nhiệt lượng : 17

Bảng 2.4: 20

2.4 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 22

2.4.1 Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 22

2.4.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 23

Bảng 2.5: 23

2.4.3 Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 23

2.4.4 Tính hệ số hiệu chỉnh: 24

Bảng 2.6: 27

2.4.5 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch 28

2.4.6 So sánh và 28

Bảng 2.7: 29

2.6 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 29

2.6.1 Xác định tỷ số sau: 30

2.6.2 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi: 30

2.7 So sánh ∆T’i và ∆Ti tính được theo giả thiết phân phối áp suất 30

Bảng 2.8: 30

2.8 Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 30

PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 32

3.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 32

3.1.1 Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 32

3.1.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 33

3.1.3 Bề mặt truyền nhiệt: 36

Bảng 3.1: 37

3.1.5 Đường kính trong của thiết bị đun nóng : 37

3.1.6 Tính vận tốc và chia ngăn : 37

3.2 Thiết bị ngưng tụ baromet: 38

3.2.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: 40

3.2.2 Đường kính thiết bị 41

3.2.3 Kính thước tấm ngăn: 41

3.2.4 Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 42

3.2.5 Các kích thước của ống Baromet: 43

3.2.6 Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị: 44

3.3 Bơm 45

3.3.1 Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: 45

3.3.2 Năng suất trên trục bơm: 48

3.3.3 Công suất động cơ điện: 49

3.4 Tính thùng cao vị 50

PHẦN IV: TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CƠ KHÍ 60

4.1 Buồng đốt 61

4.1.1 Xác định số ống trong buồng đốt 61

Bảng 4.1: 62

4.1.2 Xác định đường kính của buồng đốt 62

4.1.3 Chiều dày buồng đốt 62

4.1.4 Chọn bích lắp ghép các đoạn của thân buồng đốt với nhau 65

4.1.5 Tính chiều dầy lưới đỡ ống 65

4.1.6 Tính chiều dày đáy lồi buồng đốt 67

4.1.7 Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp bích đáy 69

4.1.8 Tính chiều dày nắp buồng đốt 69

4.2 Buồng bốc hơi 71

4.2.1 Thể tích phòng bốc hơi 71

4 2.2 Chiều cao phòng bốc hơi: 72

4.2.3 Chiều dày phòng bốc hơi : 72

4.2.4 Chiều dày nắp buồng bốc: 73

4.2.5 Tra bích để lắp nắp vào thân buồng bốc: 75

4.2.6 Chiều dày đáy buồng bốc: 75

4.3 Tính một số chi tiết khác: 77

4.3.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào và ra thiết bị: 77

4.3.2 Ống dẫn dung dịch vào buồng đốt: 77

4.3.3 Cửa dẫn dung dịch ra khỏi buồng đốt 78

4.3.4 Cửa dẫn dung dịch vào buồng bốc 79

4.3.5 Ống dẫn hơi thứ ra 79

4.3.6 Ống dẫn dung dịch ra khỏi buồng bốc 79

4.3.7 Ống tuần hoàn: 80

4.3.8 Ống tháo nước ngưng : 80

4.4 Tính và chọn tai treo 81

4.4.1 Tính khối lượng mỗi nồi khi thử thuỷ lực: 81

4.4.2 Chọn kính quan sát: 85

4.4.3 Tính bề dày lớp cách nhiệt: 85

4.5 Kết luận 86

KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hà Nội, Ngày…Tháng…Năm 2015

Người nhận xét

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan

trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác Trong kỹ thuật sản xuất công

nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường phải làm việc với các hệ dung dịchrắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng Để năng cao nồng độ của dung dịchtheo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dungmôi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi cònchất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầumong muốn

Đối với một sinh viên nghành hóa,việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sứcquan trọng Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sửdụng tài liệu trong việc tra cứu ,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trongtính toán và thiết kế,tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bảnkhoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này, em cần thực hiện là thiết kế hệ thống cô đặchai nồi xuôi chiều phòng đốt ngoài thẳng đứng làm việc liên tục với dung dịchKNO3, năng suất 11128 kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 12,7 %, nồng độ sảnphẩm 30%, áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at, áp suất hơi ngưng tụ: 0,2 at Chiều caoống gia nhiệt là 4 m

Tuy nhiên, quá trình thiết bị là môn học rất khó mà kiến thức thực tế củasinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót Vìvậy kính mong nhận được sự đóng góp của quý thầy, cô và các bạn sinh viên để

đồ án này được hoàn thiện hơn

Và cuối cùng em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy cô khoaCông Nghệ Hóa, đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Thế Hữu đã tận tình hướng dẫn,chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án

Xin chân thành cảm ơn !

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Sơ lược về quá trình cô đặc.

Quá trình cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng việc đun sôi.Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạnghơi, chất hoà tan được giữ lại trong dung dịch, do đó, nồng độ của dung dịch sẽtăng lên Khi bay hơi, nhiệt độ của dung dịch sẽ thấp hơn nhiệt độ sôi, áp suấthơi của dung môi trên mặt dung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ởkhoảng trống trên mặt thoáng dung dịch nhưng nhỏ hơn áp suất chung.Trạngthái bay hơi có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau và nhiệt độ càng tăng thì tốc

độ bay hơi càng lớn, còn sự bốc hơi (ở trạng thái sôi) diễn ra ngay cả trong lòngdung dịch ( tạo thành bọt) khi áp suất hơi của dung môi bằng áp suất chung trênmặt thoáng , trạng thái sôi chỉ có ở nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung vànồng độ của dung dịch đã cho

Trong quá trình cô đặc, nồng độ của dung dịch tăng lên, do đó mà một sốtính chất của dung dịch cũng sẽ thay đổi Điều này có ảnh hưởng đến quá trìnhtính toán, cấu tạo vá vận hành của thiết bị cô đặc Khi nồng độ tăng, hệ số dẫnnhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt α của dung dịch sẽ giảm Ngược lại,khối lượng riêng ρ, độ nhớt µ, tổn thất do nồng độ ∆’ sẽ tăng Đồng thời khităng nồng độ sẽ tăng điều kiện tạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt,những tính chất đó sẽ làm giảm bề mặt truyền nhiệt của thiết bị

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ

để đun nóng cho một thiết bị ngoài hệ thống thì ta gọi đó là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiềunồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ởcác áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thườngthì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín côđặc trong chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt( khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẩn đến hiệu số nhiệt độgiữa hơi đốt và dung dịch tăng)

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho 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 nồiba hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từnồi 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 độgiữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơiđốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảmdần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làmviệc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôichiều được sử dụng nhiều hơn cả

- Ưu điểm: dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh

lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dungdịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả làdung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phầnnước làm quá trình tự bốc hơi

- Nhược điểm: nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần nhưng nồng độ

của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả

hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn nữa, dung dịch đi vàonồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên cần phải tốn thêm một lượng hơiđốt để đun nóng dung dịch

Trong công nghệ hoá chất và thực phẩm, Cô đặc là quá trình làm bay hơimột phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi,với mục đích:

+ Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch

+ Tách các chất hoà tan ở dạng rắn(kết tinh)

+ Tách dung môi ở dạng nguyên chất v.v

1.2 Giới thiệu về dung dịch KNO3

Kali nitrat hay còn gọi là diêm tiêu kali là chất lỏng ở dạng những tinh

thể tà phương nóng chảy ở 3340C Không hút ẩm, tan trong nước và độ tan tăngnhanh theo nhiệt độ nên rất dễ kết tinh lại Nó khó tan trong rượu và ete ở 4000

C , KNO3 phân huỷ thành kali nitrit và oxi:

KNO3 = KNO2+ ½O2

Do đó ở nhiệt độ nóng chảy KNO3 là chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoácủa Mn, Cr lên số oxi hoá cao hơn

Hỗn hợp của KNO3 và các hợp chất hữu cơ sẽ cháy dễ dàng và mãnh liệt Hỗnhợp gồm 75% KNO3, 10% S, 15% than là thuốc súng đen

Diêm tiêu kali còn dược dùng làm phân bón, chất bảo quản thịt và dùngtỏng công nghiệp thuỷ tinh Ở nước ta nhân dân thường khai thác diêm tiêu từphân dơi hay đúng hơn từ đất ở trong các hang có dơi ở Phân dơi trong cáchang đó laau ngày bị phân huỷ giải phóng khí NH3 Dưới tác dụng của một số

vi khuẩn, khí NH3 bị oxi hoá thành nitrơ và axit nitric Axit này tác dụng lên đávôi tạo thành Ca(NO3)2, muối này một phần bám vào thành hang, một phần tanchảy ngấm vào đất trong hang Người ta lấy đất hang này trộn kĩ với tro củi rồidùng nước sôi dội nhiều lần qua hỗn hợp đó để tách ra KNO3

Ca(NO3)2 + K CO2 3  2KNO3 + CaCO3

Phương pháp này cho phép chúng ta sản xuất được một lượng diêm tiêutuy ít ỏi nhưng đã thoã mãn kịp thời yêu cầu của quốc phòng trong cuộc khángchiến chống PHÁP trước đây

Cấu trúc tinh thể của KNO3

Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh

Chú thích:

2 Bơm 8 Thùng chứa nước

3 Thùng cao vị 9 Thùng chứa sản phẩm

4 Lưu lượng kế 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet

5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 11.Thiết bị tách bọt

6 Thiết bị cô đặc 12.Bơm chân không

Hình 1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất của cô đặc phòng đốt ngoài

10

Nước ngưng Nước ngưng

Sản phẩm

Cửa xả đáy Cửa xả đáy

Nước ngưng

Nước lạnh

11

Hơi đốt Hơi

đốt

Nguyên lý làm việc:

Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục :

Dung dịch đầu (KNO3) được bơm( 2) đưa vào thùng cao vị số( 3) từ thùngchứa, sau đó chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt( 5) ở thiết bị trao đổi nhiệt dungdịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi 1, ở nồi 1, dung dịchtiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảytrong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dungdịch Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng.Dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏinồi cô đặc được đưa qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơitheo hơi thứ qua bọt Hơi thứ ra khỏi nồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2 Dungdịch từ nồi 1 tự di chuyển sang nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việcgiữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trướclớn hơn nhiệt độ của nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơnnhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơithêm một lượng dung môi gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đivào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần phải tiêutốn thêm 1 lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiềudung 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(9) Hơithứ bốc ra khỏi nồi thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ barômet(10) Trongthiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuống hơi cần ngưng đi từ dưới đilên, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet ra ngoài, cònkhí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi vào bơm hút chân không(12)

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 Các số liệu ban đầu:

Các số liệu đầu :

• Năng suất tính theo dung dịch đầu Gd = 11128 [kg/h]

7,121

Trong đó: W- Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (Kg/s)

xd - Nồng độ đầu vào của dung dịch: xd = 12,7%

xc - Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 29,9%

Gd –Năng suất thiết bị: Gd = 11128 kg/h

W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1

W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2

Nồng độ cuối của dung dịch

d

G x x

=

− (VI.2a-tr57-T2) (II.2)

17,9%

38,323211128

7,12.11128

=

∆Ρ 1 (II.3)

8 , 3 2 , 0

4 − =

=

Рhd1: áp suất hơi đốt nồi 1

Рng: áp suất hơi nước ngưng

2.3.2 Chênh lệch nhiệt độ, áp suất hơi đốt

Ta có: chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi:

∆

1

47,2

8,3

2 1

2 1

p p

p p

)(705,2

2

1

at p

at p

Trong đó: ∆p1: chênh lệch áp suất của nồi 1 và nồi 2

∆p2: chênh lệch áp suất của nồi 2 và thiết bị ngưng

→ Áp suất hơi đốt nồi 2: p hd1-∆p1= 4 − 2 , 705 = 1 , 295 (at) (II.4)

2.3.3 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi :

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

Hơi đốt nồi 1 được cấp từ nồi hơi, hơi thứ ra khỏi nồi 1 được đưa sang nồi 2làm hơi đốt để tận dụng nhiệt Tra bảng I.251_tr 314_stt1 và nội suy:

1 2

1 2

P P

X X X X

Chọn: ∆ ' " 1= 1°C

∆ ' " 2= 1°C

Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1(Tht1)

1 2

Ti: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất hơi thứ

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

34 , 380 2

,

16

2 1

7 , 333 2

, 16

2 2

Tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao:

P P

g h

h P

P

t t

dds i

tbi

dds i

tbi

i stbi

4 2

1

2 1

10 ).

2 (

'

2 2

ρ khối lượng riêng của dung dịch khi sôi Lấy gần đúng bằng ½ khối

lượng riêng của dung dịch ở 200C

Tra bảng I.46.tr42-stt1 ta có :

( 3)

2 2

3 1

1

/19,1206

%9,29

/54,1117

%9,17

m kg x

m kg x

2

54 , 1117

[ ] [ ]at P

at P

tb

tb

361 , 0 10 096 , 603 2

4 5 , 0 2111 , 0

479 , 1 10 77 , 558 2

4 5 , 0 34

,

1

4 2

4 1

T

C T

T

C T

C T

ht tb

ht tb tb

tb

°

=+

=

∆+

"

"

"

113,127,60813,75

"

94,234,10728,110

"

813,75

28,110

2 1

2 2 2

1 1 1

n i

2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích(∆T i ):

Hiệu số nhiệt độ hữu ích(∆T i ): là hệ số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc.

Hiệu số nhiệt độ của cả hệ thống :

[ ]

[ ]C

C T

T

i ng i

n i

−

−

=

∆ Σ

=

=

8729 , 61 3271 , 21 7 , 59 9 , 142

1 1

T1 – Nhiệt độ hơi đốt nồi 1

tng – nhiệt độ hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ

Nồi 1: có ts1 = t’1 + ∆1’ + ∆1’’ = 107,34 + 1,8141 + 2,94= 112,0941 (oC)

1

T

∆ = T1 – Ts1 = 142,9 – 112,0941 = 30,8059(0C)Nồi 2: có ts2 = t’2 + ∆2’ + ∆2’’ = 60,7+ 2,46 + 12,113 = 75,273(0C)

=

−

=

∆T2 T2 T s2 106,34 – 75,273 = 31,067( oC)

Bảng 2.3:

Nồi thứ i ∆’ (0C) ∆’’ (0C) ∆’’’ (0C)

Hiệu sốnhiệt độhữu ích(0C)

Nhiệt độcủa dungdịch (0C)

Kiểm tra lại dữ kiện :

% 378 , 0

% 100 2

8729 ,

8729 , 61 8059 , 30 2

2 1

T T

Vậy các dữ kiện chọn được thõa mãn

2.3.6 Cân bằng nhiệt lượng :

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống

D: lượng hơi đốt vào nồi 1 (kg/h)

I: hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg)

t: nhiệt độ của dung dịch (0C)

θ: nhiệt độ nước ngưng (0C)

i: hàm nhiệt của hơi thứ (J/kg)

Nhiệt dung riêng của nước ngưng tính theo áp suất của hơi đốt

(bảng I.148-tr.166-T1)

C kg J C

Kg cal

C kg J C

kg cal C

at

C kg J C

kg cal C

at

p hd

p hd

1

/ 09 , 241

/ 36 , 1011 34

, 1

/ 26 , 244

/ 67 , 1022 4

2 2

1 1

Nhiệt dung riêng của KNO3tính theo công thức I.41-tr.152-T1

C

C

KNO

KNO bđ

0 1 4186

/ 378 , 3654 127

, 0 1 4186 1

4186

% 9 ,

17

% 7 , 12

C KNO329,9% = KNO3khan ⋅ + 4186 ⋅ 1 − = 1013 , 86 ⋅ 0 , 299 + 4186 ⋅ 1 − 0 , 299 = 3237 , 53 / °

Trong đó: M : KLPT của KNO3 : M1 = 101

Hàm nhiệt hơi đốt:

( ) (J Kg)

i C t

Kg J I

C t

/ 2689412 '

34 , 106

/ 2744060 9

, 142

1 2

, 107

, 60

2 = °C⇒i =

t

(J/ kg)Nhiệt độ nước ngưng nồi 1 và nồi 2 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:

25 , 4249

1 =

n C

( J/ kg)

242 , 4228

2 =

n C

( J/ kg)Nhiệt độ đầu vào, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 của dd: tra bảng I.204/st1-236

0941 , 112

2 =

s

CNhiệt dung riêng của dung dịch:

378 , 3654

=

bđ C

(J/kg độ)

706 , 3436

1 =

C

(J/kg độ)

53 , 3237

2 =

C

(J/kg độ)

Ta có:

( ) ( ) (1 2 2) ( 2 1 1)

1 1 2 2 2

2 2 1

' 95 ,

s s

đ s

t C i C

i

t C t C G t C i W

W

⋅

− +

3118

0941 , 112 706 , 3436 2610508

( 34 , 106 242 , 4228 2689412

95 , 0

0941 , 112 706 , 3436 273

, 75 53 , 3237 11128 273

, 75 53 , 3237 2610508

39 , 6401

1

=

⋅

− +

1 1 1

95 ,

s C I

t C t C G t C i W D

Thay số vào ta được :

(2744060 4249 , 25 142 , 9)

95 , 0

0941 , 112 378 , 3654 0941

, 112 706 , 3436 11128

0941 , 112 706 , 3436 2691212

492 ,

Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận được giả thiết phân phối hơi thứ

Kiểm tra giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:

Bảng 2.4:

J/kg độ

CnJ/kg độ θ, °C

ε(%)

2 3237,53 4228,242 106,34 3169 3282,898 3,59

Sai số giữa W được tính từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cânbằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn

2.4 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi

1 Τ 2i; α 2i

Chọn ống truyền nhiệt có kích thước: 38 2 ×

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

0,25 i

1i

r 2,04A

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m

m1 1

o 12

0,25 3 0,25 2

2.4.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

Gọi q 1i: Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i

Trong đó:

2i t

∆ : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch

Ta có: ∆ = t 2i t T2i − t ddi = ∆ − ∆ − ∆ T i t 1i t Ti (10)

Ti t

∆ :hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt:

r = 0,387 10 × − [m2độ/W] là nhiệt trở của cặn bẩn (KNO3)

3 2

r = 0, 232 10 × − là nhiệt trở của chất tải nhiệt (hơi nước)

δ: bề dày ống truyền nhiệt, δ 2 10 = × −3(m)

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, chọn vật liệu làthép cacbon (CT3) ta có : λ 46,5 = [m2.độ/W]

Thay số vào công thức (III.23) ta có:

C C

λ: hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ] (lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch)

ρ: khối lượng riêng [kg/ 3

m ]

µ: 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 :

C t

C t

0941,112

2

1

• Khối lượng riêng.

Khối lượng riêng của nước: tra bảng (I.249-ST1-Tr310)

Khi x1=19,9% thì ρdd1 =1068,2865 (Kg / m3)

Khi x2=29,9% thì ρdd2 =1178,2862 (Kg / m3)

• Nhiệt dung riêng.

Nhiệt dung riêng của nước: tra bảng (I.249-ST1-Tr310)

ddi ddi

ddi

ρ ρ

H2 ) nên: M = 101.a + (1 - a).18

• Nồi 1: x = 17,9% khối lượng

037 , 0 18

179 , 0 1 101

179 ,

179 , 0

• Nồi 2: x = 29,9 % khối lượng

893 , 23 18 ) 071 , 0 1 ( 101 071 , 0

071 , 0 18

299 , 0 1 101

299 ,

299 , 0

=

M a

Vậy hệ số dẫn nhiệt của dung dịch trong mỗi nồi là:

2685 , 1068

862 , 1178

=0,501 (W/m.độ)

• Độ nhớt.

 Độ nhớt của nước tra bảng (I.104-ST1-Tr96) & (I.102-ST1-Tr95):

251 , 0

1 =

nc

(Cp)

 Độ nhớt của dd KNO3 (bảng I.107-ST1-Tr100) :

Sử dụng công thức Paplov (I.17-ST1-Tr85):

t t = K =const

−

−

2 1

2 1

θθTrong đó:

Tại ts1 =112,0941 0C dung dịch có độ nhớt là μ dd1tướng ứng với nhiệt độ θ 31

của nước cùng độ nhớt nên ta có:

=> θ31 = 109,729 0 C

Tra bảng I.104 [3-96] và nội suy với θ31 = 109,729 0 C ta được :

3787 , 0

2 =

nc

µ

20 30 30 75, 2425

θ 58, 2755 C17,3889 24, 7902 24, 7902θ

Thay các số liệu vào công thức (12) ta được:

Tổng hợp các kết quả ta được bảng sau:

8076 , 0

2562 , 0

251 , 0 2764 , 4239

706 , 3436 4081

, 949

2685 , 1068 6853

, 0

486 ,

080879

4812 , 0

3787 , 0 2146 , 4209

53 , 3237 7416

, 974

2862 , 1178 6712

, 0

501 , 0 2

435 , 0 2

565 , 0

Vậy hệ số cấp nhiệt α 2i từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi hoàn toàn xác định như

sau:

4417,41808076

,01772,734,13,45

'3,45

33 , 2 1 33 , 2 21 5 , 0 1 21

,01998,92111,03,45

'3,45

33 , 2 2 33 , 2 22 5 , 0 2 22

% 275 , 0

% 100 2208

, 27337

15005 , 27262 2208

,

27337

% 5

% 729 , 0

% 100 6017

, 29786

7 30003.8661 6017

q K

∆

= (N / m2.độ)Trong đó:

22 12 2

2 21

11 1

/ 27299,685

= 5)/2 27262,1500 +

8 (27337,220 2

/ 2339 , 29895 2

7 30003,8661 29786,6017

2

m W q

q q

m W q

q q

, 30

2339 , 29895 1

, 31

685 , 27299 2

3600

1 1 1

r D

2.6.1 Xác định tỷ số sau:

8336 , 2210 736

, 878

089 , 1942739

9803 , 2088 4385

, 9970

963 , 2027226

2 2 1 1

2.6.2 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức:

( )C K

Q K

Q T T

i i

i i

Q

+

⋅ +

= +

⋅

∆Τ +

∆Τ

=

8336 , 2210 9803

, 2088

9803 , 2088 067

, 31 8059 , 30 '

2

2 1 1 1 1 2

Q

+

⋅ +

= +

⋅

∆Τ +

∆Τ

=

8336 , 2210 9803

, 2088

8336 , 2210 067

, 31 8059 , 30 '

2

2 1 1 2 2 2

% 100 8059

, 30

0597 , 30 8059 , 30

ε

% 5 4 , 2

% 100 067

, 31

813 , 31 067 , 31

ε

Nhận xét: Sai số này < 5%, vậy phân phối áp suất như trên là hợp lý

Tổng hợp các kết quả thu được ta có bảng số liệu sau:

Tính bề mặt truyền nhiệt theo phương thức bề mặt truyền nhiệt giữa cácnồi bằng nhau:

'

i i

i i

T K

Q F

1

1

0597,30.4385,970

963,2027226

T K

2

2

813,31.736,878

089,1942739

T K

PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

3.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

• Giả thiết sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp loại ống chùm bằng tácnhân tải nhiệt là hơi nước bão hoà

• Do kết cấu của thiết bị trao đổi nhiệt, nên lưu thể sạch (không tạo ra cặnbẩn trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn nhiệt) người ta cho đi khoảngkhông gia ngoài ống, còn lưu thể nào tạo ra cặn bẩn trong quá trình làm việc thìcho đi qua ống Ngoài ra lưu thể nào có công suất lớn người ta cũng cho đitrong ống, vì ống chịu được áp suất lớn hơn vỏ

• Giả thiết ta cho hơi nước bão hoà đi khoảng không gian ngoài ống Hỗnhợp cho đi trong ống

Tính lượng nhiệt trao đổi Q

Q = G.Cp.(tF - tf)

Trong đó: G: Lưu lượng hỗn hợp đầu ; G = 11128 kg/h = 3,091 (kg/s)

tF: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp theo yêu cầu tF = tso = 142,9 (0C)

CP Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại tF:CP = Co = 3654,378(J/kg độ)

tf - Nhiệt độ của dung dịch vào, Giả sử tf = 250C

3.1.1 Nhiệt lượng trao đổi :( Q)

Q = F.Cp.(tF – tf) WTrong đó : F: lưu lượng hỗn hợp đầu, F = 11128(kg/h)

tF : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tF = ts1 = 112,0941 oC

Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu Cp= Co= 3654,378 J/kg.độ

tf: Nhiệt độ môi trường: tf=25 oC

Thay số :

Q=

360011128

.3654,378.( 112,0941- 25) = 983822,6562 (W)

3.1.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích:

9,

117 =2,8273> 2

Nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là:

∆ttb =

)lg(

3,2

tc tđ

tc tđ

9,117lg3,2

8059,309,

= 64,965 (0C)

• Hơi đốt: t1tb = 142,9 (0C)

Phía hỗn hợp: t2tb =thđ − ∆ ttb = 142,9 – 64,965 = 77,935 (0C)

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể :

Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ :

α1 = 2,04.A.(

H t

r

1

H : Chiều cao ống truyền nhiệt H = 4(m)

A : Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

= 140,19(0 C)Tra bảng (ST2/29)=> A = 194,0285

Thay số:

α1= 2,04 194,0285.( 3)0 , 25

4.42,5

10.2141

= 7016,734 (W/m2.độ)

b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ :

q1 = α1.Δt1 [W/m2] Thay số : q1 = 7016,734 5,42 = 38030,698 (W/m2 )

c) Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :

4

= = 117,647 > 5m → εk= 1 (theo V.2- ST2/15)

+ Tra bảng (I 107- ST1/101)ta có độ nhớt dung dịch: µ = 0,4424.10-3Ns/m2

+ Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp λ=A.Cp ρ

0253,01(0253,0.101

0253,0183,871017,

7,12

⇒

=+

=

M a

Với A=3,58 10-8 thay số:

λ=3,58.10-8.3654,378.1058,5099

0999 , 20

5099 , 1058

Thay số: Pr =

5189,0

10.0,4424

378,

= 3,1156

+Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống :

Δtt = tt1- tt2= q1.∑rt

Trong đó : tt2 : Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp

∑rt : Tổng nhiệt trở ở 2 bên ống truyền nhiệt

Ống dẫn nhiệt làm bằng làm thép cacbon (CT3) có chiều dày δ = 2 (mm) nên:

95,10383

= 0,476( W/m2.độ)

Thay số (25) : Prt= 3558,1.00,,4762651.10

3

−

= 1,914Hỗn hợp chảy xoáy chọn Re = 10500

Thay số ta có hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :

αt = 0,021

034,0

0,476 (10500)0,8 (3,1156)0,43 0,25

914,1

1156,3

Trong đó : Nhiệt lượng trao đổi : Q = (W)

Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch

2

013,38404698

,380302

2

3.1.4 Số ống truyền nhiệt :

Công thức tính : n=

H d

F

π

Trong đó : F : Bề mặt truyền nhiệt

d : đường kính ống truyền nhiệt d = 0,034 m

H : Chiều cao ống truyền nhiệt H = 4 (m)

Thay số :

742,25

=

=

n

( ống)Qui chuẩn n = 61 ống Theo bảng V.11-ST2/48 ta có :

Tổng ốngtrong tất cảcác hình viênphân

Tổngốngtrongthiết bị

Dãy1

Dãy2

Dãy3

4

2 n d

Thay số ta có:

05275,

03600.5099,1058.61.)034,0.(

14,3

11128

0,2651.10

10500

0

05275,

00773,0

%100

0773,0

⇒Quy chuẩn 2 ngăn

D= 700 (mm) – Dường ính trong của thiết bị

H= 4 m – chiều cao ống truyền nhiệt

d =38mm – Đường kính ngoài ống truyền nhiệt

d= 34mm – Đường kính trong ống truyền nhiệt

3.2 Thiết bị ngưng tụ baromet:

Nhận xét: Hơi thứ sau khi ra khỏi nồi cô đăc cuối cùng được dẫn vào thiết

bị ngưng tụ baromet để thu hồi lượng nước trong hơi, đồng thời tách khí khôngngưng do dung dịch mang vào hoặc do khe hở của thiết bị.Hơi vào thiết bịngưng tụ đi từ dưới lên,nước làm lạnh đi từ trên xuống,chui qua lỗ của các tấmngăn,hỗn hợp nước làm lạnh,nước ngưng tụ chảy xuống ống barômet

*Hệ thống thiết bị: Chọn thiết bị ngưng tụ Baromet – thiết bị ngưng tụ

trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao

5- Bơm chân không

Trong thân 1 gồm có những tấm ngăn hình bán nguyệt

Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao

Nguyên lý làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phunnước lạnh vào trong hơi , hơi tỏa ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại Do đóthiết bị ngưng tụ trực tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏngkhông có giá trị hoặc không tan trong nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nướclàm nguội

Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều loạikhô được mô tả như hình vẽ Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn những tấmngăn hình bán nguyệt có lỗ nhỏ và ống Baromet (3) để tháo nước và chất lỏng

đã ngưng tụ ra ngoài

Hơi thứ vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy từ trên xuống, chảy trần quacạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợpnước làm nguội cà chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống Baromet, khí khôngngưng đi lên qua ống (4) sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuốngống Baromet Khí không ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chânkhông(5).

Ống Baromet thường cao H> 10,5m để khi độ chân không trong thiết bị

có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị

Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra được không cần bơm nên tốn ítnăng lượng , năng suất lớn

Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao ngượcchiều loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị trícuối hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không

*Các số liệu cần biết:

- Lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ:

W =W2= 3282,898 (kg/h)

-Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: pnt= 0,2 at

-Nhiệt độ hơi ngưng tụ: tnt = 59,7 0C

3.2.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ:

Gn= .(( ))

d c n

c n t t C

t C i W

−

−

,kg/h (CT-VI.51-ST2-Tr84 )

Gn :Lượng nước cần thiết để ngưng tụ (kg/h)

W: Lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ (kg/h)

W= 3282,898 (kg/h )

i : hàm nhiệt của hơi ngưng :

i= 2607 103(J/kg) (tra bảng I.251.STl1-Tr314 )

tđ : nhiệt độ đầu của nước lạnh Chọn tđ = 25(oC)

tc : nhiệt độ cuối của nước lạnh Chọn tc = 50(oC)

Cn Nhiệt dung riêng trung bình của nước, chọn ở 37,5oC

Cn=4178 (J/kg.độ) (tra bảng I.149 ST1-Tr310)

Thay số vào ta có:

) 25 50 (

4178

) 50 4178 10

2607 (

898 ,