cô đặc KNO3 hai nồi xuôi chiều phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài .Cô đặc dung dịch KNO với năng suất 11000 kgh ,chiều cao ống gia nhiệt h =2m .Các số liệu ban đầu : Nồng độ đầu của dung dịch là 15%Nồng độ cuối là 42 % Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 5 atÁp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

NỘI DUNG

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt trong ống tuần

hoàn ngoài Cô đặc dung dịch KNO3với năng suất 11000 kg/h ,chiều cao ống gia nhiệt h =2m

Các số liệu ban đầu :

-Nồng độ đầu của dung dịch là 15%

-Nồng độ cuối là 42 %

-Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 5 at

-Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

1.Giới thiệu chung

 Lời mở đầu và giới hiệu về dung dịch KNO3

 Hình vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất dung dịch

2.Tính toán thiết bị chính

*Cân bằng vật liệu

 Lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống

 Lượng hơi thứ ra khỏi từng nồi cô đặc

 Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi thiết bị

*Tính nhiệt cân bằng

 Áp suất chung của hệ thống

 Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt vào mỗi nồi

 Áp suất, nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi mỗi nồi

 Hệ số truyền nhiệt của từng nồi

 Bề mặt truyền niệt của từng nồi

3.Tính toán cơ khí và lựa chọn thiết bị

 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu(ống chùm)

 Thiết bị ngưng tụ baromet

1 Giới thiệu chung

Lời mở đầu và giới thiệu dung dịch KNO 3

- Lời mở đầu

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

Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống tuầnhoàn ngoài được dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi,

2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu trong thực tế người

ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế

một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất ,em được nhận

đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”.Việc thực hiện đồ

án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị , hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu ,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán và thiết kế,tự nâng cao kĩ năng trình bầy bản thiết kế theo văn bản khoa 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 đặc hai nồixuôi chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài làm việc liên tục với dung dịch KNO3,năng suất 11000kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 15%, nồng độ sản phẩm42%.

-Giới thiệu về dung dịch KNO 3

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

Do đó ở nhiệt độ nóng chảy KNO3 là chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoá của

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 Hỗn hợp 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 dùng tỏng công nghiệp thuỷ tinh Ở nước ta nhân dân thường khai thác diêm tiêu từ phân dơi hay đúng hơn từ đất ở trong các hang có dơi ở Phân dơi trong các hang 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 đá vôi tạo

ngấm vào đất trong hang Người ta lấy đất hang này trộn kĩ với tro củi rồi dùng

Ca(NO3)2 + K CO2 3  2KNO3 + CaCO3

Phương pháp này cho phép chúng ta sản xuất được một lượng diêm tiêu tuy ít ỏinhưng đã thoã mãn kịp thời yêu cầu của quốc phòng trong cuộc kháng chiến chống PHÁP trước đây

 Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh

Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục

Dung dịch đầu KNO3 15% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa (1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (6) Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm , dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Một phần khí không ngưng được đưa qua của tháo khí không ngưng.Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nước ngưng Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt

Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 2 do đó sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi , áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ (2) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi , kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này

sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi

Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (10).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8).Trong thiết

bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống , ở đây hời thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không (11)

2 Tính toán thiết bị chính Các số liệu ban đầu:

Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ = 11000 kg/h

Nồng độ đầu : xđ = 15 %

xc = 42%

P hơi đốt nồi 1= 5 at

P hơi ngưng tụ= 0,2at

1

7071, 4286.1, 02

3570,7214( / ) 2,02

d

G x x



 (VI.2a-tr57-T2) 11000.15 22, 21%

W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1

W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2

c

x : nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1

x c2: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi

Р)hd1: áp suất hơi đốt nồi 1

Р)ng: áp suất hơi nước ngưng

 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt

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

từ (1) và(2) ta được:  1=3,43 (at) ; 2=1,37 (at)

 Áp suất hơi đốt nồi 2: p hd1-p1= 5- 3,43= 1,57 (at)

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

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

 nhiệt độ và áp suất hơi thứ :

Theo sơ đồ nồi cô dặc, nhiệt độ hơi thứ nồi 1(Tht1) bằng nhiệt độ hơi đốt nồi

2 (Thd2) Nhưng do quá trình truyền khối cố sự tổn thất nhiệt do trở lực đường ống ( '''

 )

ch ọn '''

1

 = 1°C '''

2

 = 1,5°CNhiệt 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

2 1

2 2

386

16, 2.2, 22 2, 41

2223770,64 334.5

2 2

1

4 2

1

2 ( ) .10 ( )

Phti: áp suất hơi thứ nồi i

h1i: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt, h1=0,5 m

h2: chiều cao ống truyền nhiệt, h2= 2 m

:

dds

 khối lượng riêng của dung dịch khi sôi L ấy gần đúng bằng ½ khối

lượng riêng của dung dịch ở 200C

Tra b ảng I.46.tr42-stt1 ta có :

 dd1= 1,149.10 ³( kg/m³)

dd2= 1,29607.10³ (kg/m³)

4 1

4 2

2

1, 62 0.5 574,52.10 1, 706( )

2 2

o tb

o tb

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

n n

M = 2.26000

101 +3.16800

101 =1013,86 (i/kg.độ)đối với dung dịch loãng có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo I.43-tr.152-T1

Trong đó n: là số nguyên tử của nguyên tố K, N, O trong KNO3

C KNO x: là nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 ở nồng độ x

x: là nồng độ %phần khối lượng của KNO3

M KNO3: khối lượng mol của KNO3

c c c K; N; O: nhiệt dung nguyên tử tra bảng I.141-tr.152-T1

Phương trình cân bằng vật liệu nồi 1:

Thay số vào ta được : D=4080,3 (kg/h)

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

W1=3570,7214 (kg/h) W1=3430,0956 (kg/h)  3,9%

W2=3500,7072 (kg/h) W2=3641,333 (kg/h)  3,9%

giả thiết phân bố áp suất hơi thứ ban đầu chấp nhận được

(*) lấy nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt  1 t hd1 ;  2 t hd2

1  2i;  2i

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở từng nồi tính theo công thức:

Nồi 1: t1= T hd1- t hi1 =151-34 =1170C

Nồi 2: t2= T hd2- t hi2= 112-38,46 =73,540C

Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch t i(hddd)

Hơi nước sau khi ngưng tụ sẽ bám lên thành ống truyền nhiệt tạo thành lớpmàng mỏng, với những thiết bị thường gặp như loại phòng đốt trong tuần hoàn ngoài, phòng đốt trong tuần hoàn trung tâm, phòng đốt treo đều là trường hợp hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt( hơi đốt là hơi bão hòa không chứa khí trơ), màng nước ngưng chảy thành dòng thì hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt được tính theo công thức: V.101-tr.28-T2

0.25 1

h t



  V.101-tr28-t2

Trong đó 1i :là hệ cấp nhiệt từ hơi đốt

t 1i:chênh lệch nhiệt độ nước ngưng và mặt ngoài ống

A: hệ số phụ thuộc màng nước ngưng

ri : ẩn nhiệt ngưng tụ (lấy bằng ẩn nhiệt hóa hơi)

h =chiều cao ống truyền nhiệt, h = 2 m

11 11 11

2114767 2,04.195,374 9227,69( / )

2.3,68 9227,69.3,68 33957,9( / )

Hơi nước có r hn 2,32.10 (  4 m đô W2 / )

Cặn bẩn có rcặn 3,87.10 ( 4 m đô W2 / )

 Chọn vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt là thép CT3 dày 0.002m, từ bảng XII.7-tr.313-T2 có 50

21

33957,9.6,59.10 22,38 147,32 22,38 124,94 124,94 117 7,94

o T

 : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi

 : hệ số hiệu chỉnh, tính theo công thức VI.27-tr.71-T2

 hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng liên kết

M: khối lượng phân tử mol của dung dịch KNO3

x M n

o T

2

12 12 12

2223959 2,04.183, 455 8489, 29( / )

2.4, 2 35655,04( / )

22

35655,04.6,59.10 23,5

107,8 23,5 84,3 84,3 73,5 10,8

o T

3 1270 3,58.10 1270.2853,7 0, 466

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

M: khối lượng phân tử mol của dung dịch KNO3

2

12 22

2 2

3600 2059946,64( )

896 , 991

3 , 2118818

896 , 991

3 , 2118818



11 , 920

64 , 2059946

11 , 920

64 , 2059946



93 , 4374



tổng bề mặt truyền nhiệt các nồi tương ứng:

Bề mặt truyền nhiệt bằng nhau

Tổng bề mặt truyền nhiệt bé nhất

93 , 4374

13 , 2136 74 , 72

54 , 93

22 , 46 74 , 72

93 , 4374

8 , 2238 74 , 72

54 , 93

32 , 47 74 , 72

bề mặt truyền nhiệt bằng

nhau, m2

tổng bề mặt truyền nhiệt bé nhất,

m2

1 60,14

52 , 35 896 , 991

3 , 2118818

94 , 35 896 , 991

3 , 2118818



22 , 37 11 , 920

64 , 2059946

8 , 36 11 , 920

64 , 2059946

F: bề mặt trao đổi nhiệt của nồi (m2)

dtr: đường kính ống truyền nhiệt (m)

h2: chiều cao ống truyền nhiệt (m)

Từ bảng VI.6-tr.80-T2 chọn F=63 m2; d=25mm

478 10

).

22 25

Số ống trong các hình

viên phân

Tổng sốốngtrong tất

cả các

Tổng

số ốngcủathiết bị

Ở dãythứ

Ở dãythứ

Ở dãythứ ba

b- số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh,b= 25 ống

d: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, d= 25 mm

t: bước ống, t= 1,5d=0,0375(m)

Dtr= 0,0375.(25-1)=4.0,025=1m

Chọn Dtr theo tiêu chuẩn là: 1(m) =1000 mm

-Chiều dày của buồng đốt (S)

k: hệ số bền, ứng suất chịu kéo nén

Tra bảng XII.4-tr.309-T2 đối với thép CT3 có:

k

k

k

N m n

c

k

c

N m n

 : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc Nếu hàn bằng tay với D tr

>700 mm, thép cácbon CT3 thì   0,95(tra bảng XIII.8-tr.362-stt2)

P: áp suất làm việc của thiết bị (lấy bằng áp suất hơi đốt)

98100 5

Theo bảng XIII.5-tr358-stt2 Định mức áp suất thủy lực khi thử thiết bị làm việc

-Chiều dày đáy lồi buồng đốt tính theo công thức (XIII.47-tr385-T2)

(đáy dạng elip có gờ), chọn vật liệu thép CT3 là hợp kim bền chịu nhiệt

Dt

hbS

 

.

3,8 2.

D k h

  (*)Trong đó: hb=0.25(m) chiều cao phần lồi của đáy bảng XIII.10-tr382-stt2

k- là hằng số bền của đáy được tính theo công thức :

w

 (VII.42-tr74-stt2)V-lưu lượng dung dịch ra khỏi nồi 1(m h3 / )

3 1

1

11000 3430,0956

2,02.10 1041.3600

0,065 0,785.0,6

D k h

6 4

1, 62.98100

.2 3,8.146,154.16 0,935.0,95

Độ bền đảm bảo an toàn, chiều dày đáy buồng đốt S  d 6 mm

-Tính toán lưới đỡ ống và chọn lưới đỡ:

Lưới đỡ ống phải đảm bảo giữ chặt ống sau trong quá trình thiết bị làm việcChiều dày Stối thiểu của mạng ống là:

-giữ nguyên hình dạng của mạng khi gia công cũng như khi hoạt động

Đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi ống là:

f S t d f  d 

2 min 4, 4.25 12 122( )

-bền dưới tác dụng của các loại ứng suất

Kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn với điều kiện:

Trong đó: W là lượng hơi thứ ra khỏi thiết bị (kg/h)

ht: khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m3)

Utt: cường độ hơi bốc cho phép trong khoảng không gian hơi (m3/m3.h)

Ta có:U tt f U. tt at(1 ) ( VI.33-tr72-stt2)

Chọn U tt  1650m m h3 / 3 ở 1 at

f- hệ số hiệu chỉnh xác định theo đồ thị tra đồ thị VI.3-tr72-stt2 có f=0,9

3 3 (1 )

0,9.1650 1485( / )

U f U   m m h (VI.33-tr.72-T2)

) ( 24 , 5 9085

24 , 5 4

Vì dung dịch khi sôi tạo bọt mạnh nên chọn Hb=3m (tr.73-T2)

- Chiều dày buồng bốc:

 

1 1

. 146,154.10 0,95

837, 25 50 15,9.10

6

3

3.10 2 146,154.10 0,95.2

1, 2 4 3 10 23,65.10

-Tính chiều dày nắp buồng bốc:

Chiều dày nắp buồng bốc tính theo công thức :

h

Trong đó: hb=0,25(m) chiều cao phần lồi của nắp bảng XIII.10-tr382-stt2

w

 (m)V: lưu lượng hơi ra khỏi nồi (m h3 / )

:

 khối lượng riêng hơi nồi 1,=0,9085 (kg/h)

W: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1(kg/h)

: vận tốc thích hợp của hơi trong thiết bị.đối với hơi bão hòa chọn =20(m/s) 3430,0956 3775,56

1, 2.15,9.10

.2 3,8.146,154.10 0,75.0,95

Chiều cao gờ h=250(mm) tra theo bảng XIII.12-tr.385-T2

w

 VI-tr42-stt2Trong đó: w=20(m/s) vận tốc thích hợp của hơi đốt quá nhiệt trong ống:

tr

Quy chuẩn d  tr 0, 2 (m), tra bảng XIII.32-tr434-stt2 co l=130 (mm)

-ống dẫn dung dịch vào:

Lưu lượng dung dịch vào thiết bị:

3 11000

10, 49( / ) 1049,75

G



G: lưu lượng dung dịch đầu

: khối lượng riêng của dung dịch đầu

10, 49

0,0786( ) 3600.0,785 3600.0,785.0,6

-ống tháo nước ngưng và xả khí không ngưng

ống tháo nước ngưng

Trong quá trình thiết bị hoạt động, khi hơi nước truyền nhiệt sẽ ngưng tụ và di chuyển xuống dưới Việc tháo nước ngưng tránh được tổn thất nhiệt của hơi, giảm áp suất tổng của thiết bị,… nên cần tháo triệt để Chọn kiểu ống tháo nước ngưng ở đáy(lưới đỡ ống) chọn đường kính trong của ống dẫn là 10mm và cửa

ra là 20mm

-cửa xả khí không ngưng

Trong hơi nước đưa vào thiết bị có chứa một phần khí, khi hơi nước ngưng tụ thìkhí này tách ra và ở trong thiết bị sẽ làm tăng áp suất tổng, giảm áp suất riêng phần của hơi thứ nên cần định kỳ xả khí không ngưng Chọn đường kính trong bằng 50mm

-ống dẫn hơi thứ ra

3

1 3430,0956

3775,56( / ) 0,9085

Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy bằng 8%-10% thiết diện của buồng đốt, ta có: 0 , 08 1 , 01 0 , 286 ( )

4 4

08 , 0

2 2

m d

d d

nth nth

Quy chuẩn : 300 mm,chọn chiều dày theo chiều dày buồng đốt s=5 mm

Chọn đoạn cao h=400 mm để nối ống tuần hoàn

-Chọn bích ghép vào các ống dẫn vào thiết chính:

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

D(mm)

 Tính tai treo và chọn tai treo:

Tính khối lượng nồi khi thử thủy lực:

G G G

Gnk là khối lượng nồi không (N)

Gnd là khối lượng nước đổ đầy nồi (N)

m kg



 là khối lượng riêng của thép CT3

) (

0 ) 1 01 , 1 (

4

14 , 3