Cô đặc dung dịch KCl bằng hệ thống cô đặc ba nồi ngược chiều với thiết bị cô đặc kiểu đứng. Bách khoa Đà Nẵng

Cô đặc dung dịch KCl bằng hệ thống cô đặc ba nồi ngược chiều với thiết bị cô đặc kiểu đứng. Mục lục PHẦN MỞ ĐẦU 7 I. Sản phẩm 7 II. Phương pháp điều chế 8 1. Khái niệm chung về cô đặc 8 2. Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều. 9 Phần I: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 11 1.1. Cân bằng vật liệu 11 1.1.1. Xác định lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống cô đặc 11 1.1.2. Xác định nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi x1 11 1.2. Cân bằng nhiệt lượng 11 1.2.1. Xác định áp suất trong mỗi nồi 11 1.2.2. Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi. 12 1.2.3. Xác định tổn thất nhiệt độ Δ 12 1.2.4. Cân bằng nhiệt lượng 16 1.2.5. Phương trình cân bằng nhiệt lượng và lượng hơi đốt cần thiết 18 1.3. Tính các thông số kỹ thuật chính 20 1.3.1. Độ nhớt. 20 1.3.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 22 1.3.3. Hệ số cấp nhiệt 23 1.3.4. Hệ số phân bố nhiệt hữu ích thực cho các nồi. 29 1.3.5. Tính bề mặt truyền nhiệt Fi . 32 Phần II: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 33 2.1. Buồng đốt của nồi cô đặc 33 2.1.1. Tính số ống truyền nhiệt. 33 2.1.2. Đường kính trong của buồng đốt. 33 2.1.3. Bề dày buồng đốt. 33 2.1.4. Chiều dày đáy và nắp buồng đốt. 35 2.2. Buồng bốc nồi cô đặc: 36 2.2.1. Đường kính buồng bốc. 36 2.2.2. Chiều cao buồng bốc. 36 2.2.3. Chiều dày buồng bốc. 38 2.2.4. Chiều dày nắp buồng bốc. 40 2.3. Đường kính các ống dẫn. 41 2.3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt. 41 2.3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ. 42 2.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch 43 2.3.4. Đường kính ống tháo nước ngưng. 44 2.3.5. Đường kính ống tuần hoàn: 45 2.4. Chiều dày vĩ ống 45 2.5. Chiều dày lớp cách nhiệt 46 2.5.1. Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn 46 2.5.2. Bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 50 2.6. Chọn mặt bích 51 2.6.1. Mặt bích nối thân và đáy tháp: 52 2.6.2. Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn 52 2.7. Tai treo 53 2.7.1. Trọng lượng thân thiết bị Gth: 53 2.7.2. Tải trọng ống truyền nhiệt: 53 2.7.3. Trọng lượng của dung dịch trong thiết bị 54 2.7.4. Trọng lượng hơi 54 2.7.5. Trọng lượng vĩ ống 54 2.7.6. Trọng lượng của đáy và nắp buồng đốt 54 2.7.7. Trọng lượng của nắp buồng bốc 55 2.7.8. Trọng lượng của bích 55 2.7.9. Trọng lượng cảu lớp cách nhiệt 55 2.7.10. Tổng trọng lượng của thiết bị và tải trọng của tai treo 56 Phần III: THIẾT BỊ PHỤ 57 3. Thiết bị ngưng tụ Baromet 57 Thiết bị ngưng tụ Baromet 57 Thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao. Nguyên tắc làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phun nước lạnh và trong hơi, hơi ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại. Do đó thiết bị ngưng tụ trực tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị hoặc không tan trong nước, vì chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với nước làm nguội. 57 Thiết bị ngưng tụ trực tiếp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học vì có những ưu điểm là năng suất cao, cấu tạo đơn giản và dễ dàng chống ăn mòn. Hình 3.1:Thiết bị ngưng tụ baromet 57 1 – Thân 2 – Thiết bị thu hồi bọt 57 3 Ống baromet 4 – Tấm ngăn hình bán nguyệt 57 5 Ống dẫn khí không ngưng 58 Ống baromet thường cao 11m để khi độ chân không trong thiết bị có tăng thì nước vẫn không thể dân lên ngập thiết bị. 58 Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra không cần bơm nên tốn ít năng lượng, công suất lớn. 58 Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ baromet chân cao ngược chiều loại khô thường được sử dụng nhiều, đặc biệt là trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị trí cuối hệ thống vì các nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không. 58 Chọn bơm 58 Bơm dung dịch 58 Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, loại bơm được dùng phổ biến nhất là bơm ly tâm, vì so với bơm pittông, bơm ly tâm có những ưu điểm sau: 58 Tạo được lưu lượng đều đặn đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật của nhiều ngành sản xuất. Đồ thị cung cấp đều đặn, không tạo hình sin. 58 Số vòng quay lớn, có thể truyền động trực tiếp từ động cơ điện. 58 Có cấu tạo đơn giản, gọn, chiếm ít diện tích xây dựng và không cần kết cấu của nền móng quá vững chắc. Do đó giá thành chế tạo, lắp đặt và vận hành thấp. 58 Có thể dùng để bơm những chất lỏng bẩn, vì khe hở giữa cánh guồng và thân bơm tương đối lớn, không có van là bộ phận dễ hư hỏng nhất và tắc do chất bẩn gây ra. Nhờ cải tiến về kết cấu cánh guồng mà bơm ly tâm được sử dụng để bơm cả dung dịch huyền phù và có nồng độ pha rắn cao. 58 Có năng suất lớn và áp suất tương đối nhỏ nên phù hợp với yêu cầu của phần lớn các quá trình hóa học và thực phẩm. 58 Vì vậy, gần đây bơm ly tâm đã dần dần thay thế bơm pittông trong các trường hợp áp suất thấp và trung bình, còn năng suất trung bình và lớn. 58 Trong công nghiệp, bơm ly tâm được dùng rộng rãi và có nhiều loại khác nhau về cấu tạo và vận hành. Bơm ly tâm được phân thành nhiều loại theo số bậc (cấp bơm), theo cách đặt bơm, theo điều kiện làm việc, theo nhiều cánh. 58 Nguyên tắc làm việc: Bơm làm việc theo nguyên tắc ly tâm. Chất lỏng được hút và đẩy cũng như nhận thêm năng lượng là nhờ tác dụng của lực ly tâm khi cánh guồng quay, khác với bơm pittông nhờ sự chuyện động tịnh tiến của pittiông. 58 Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo của bơm ly tâm. 59 1 – Guồng 3 Ống hút 5 – Lưới lọc 59 2 – Vỏ bơm 4 Ống đẩy 59 Bơm chân không 59 Về nguyên tắc hoạt động của bơm chân không không khác gì nguyên tắc hoạt động của máy nén, chỉ khác ở phạm vi áp suất làm việc và độ nén. Các bơm chân không hút khí ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển và đẩy khí ra ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển một ít. Bơm chân không thường tạo ta được độ chân không bằng 90% (ứng với áp suất tuyệt đối bằng 0,1at) và nén khí ở 1,1at. 59 Năng suất của bơm chân không thay đổi, giảm dần cùng với sự giảm của áp suất thút (tăng độ chân không). Vì thế khi chọn bơm cần phải căn cứ đồng thời vào cả độ chân không tối đa mà bơm tạo ra được. 59 Có nhiều loại bơm chân không như: Bơm chân không kiểu pittông, bơm chân không kiểu rôto, bơm chân không kiểu phun tia,… 59 Ta chọn bơm chân không kiểu pittông loại khô. 59 Cấu tạo của bơm chân không kiểu pittông gần giống như máy nén pittông. Giới hạn áp suất phụ thuộc vào độ khít giữa pittong và xilanh và hệ số khoảng hại. Bơm chân không kiểu pittông được dùng trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm. Năng suất làm việc của loại bơm này rất cao khoảng từ 45 đến 3500m³h. 59 Gồm có 2 loại: khô và ướt. Hiệu suất loại ướt đạt 80 – 85% còn loại ướt thì đạt từ 96 đến 99,9%. 59 60 Hình 3.2: Hệ thống lắp bơm chân không 60 1 – bể chứa dung dịch 4 – thùng giãn khí 60 2 – thùng chứa 5 – bơm chân không 60 3 – bộ phận tách bọt 6 – bơm dung dịch 60 Phần IV: KẾT LUẬN 61 Phần V: TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 1. Phạm Xuân Toàn, Các quá trình – Thiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm (tập 3 – Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt), Nhà xuất bản KHKT Hà Nội, 1972. 62 2. Nguyễn Bin, Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm (tập 1 Các quá trình Thủy lực, Bơm, Quạt nén), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2004. 62 3. GSTSKH Nguyễn Bin, PGSTS Đỗ Văn Đài, TS Phạm Xuân Toàn, TS Trần Xoa, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ hóa chất (tập 1), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 62 4. GSTSKH Nguyễn Bin, PGSTS Đỗ Văn Đài, TS Phạm Xuân Toàn, TS Trần Xoa, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ hóa chất (tập 2), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 62 5. https:en.wikipedia.orgwikiPotassium_chloride 62

Trang 1

PHẦN MỞ ĐẦU

I Sản phẩm

KCl là một muối halogen với kim loại gồm kim loại Kali và Clo KCl là một hợp chất không mùi và có màu trắng hoặc không màu thủy tinh pha lê xuất hiện Tinh thể KCl có cấu trúc lập phương tâm khối, dễ dàng cắt theo ba hướng Là chất rắn hòa tan dễ dàng trong nước KCl được sử dụng trong y học, các ứng dụng khoa học, chế biến thực phẩm Trong tự nhiên KCl tồn tại trong khoáng sản Sylvite và kết hợp với Natri Clorua như Sylvinite

Một số đặc tính lý-hóa của muối KaliClorua:

+ KCl hòa tan trong các dung môi phân cực được thể hiện qua bảng sau: Hòa tan Độ hòa tan (g/kg dung môi ở 25 ° C)

Trang 2

+ Trạng thái vật lý: tinh thể rắn + Khối lượng phân tử : 74,5513 g/mol

+ Màu sắc: tinh thể rắn không màu

+ Mùi: Không mùi

+ Tỷ trọng: 1,984g/cm³

+ Nhiệt độ sôi: 770 ºC (1420 ºF, 1040 K)

+ Điểm sôi: 1420 ºC (2590 ºF, 1690 K) + Độ hòa tan trong nước: 281 g/l ( ở O ºC), 344 g/l (20 ºC), 567 g/l (100 ºC) + Tính axit: pKa ~ 7,0

+ Chỉ số khúc xạ: n = 1,4902 (589nm)

- Mức ổn định và khả năng hoạt động của KCl

+ Bền trong điều kiện thường, dễ hút ẩm

+ Khả năng phản ứng: phản ứng phân hủy, phản ứng với axit, chất oxy hóa mạnh,

- Ứng dụng:

+ Phần lớn các muối KCl sản xuất được để sản xuất phân bón, là một hóa chất nguyên liệu cho quá trình sản xuất Kali Hydroxit hay Kali kim loại

+ KCl từng được sử dụng như một tác nhân chữa cháy, được dùng trong các

xe đẩy bình chữa cháy hay các loại bình xách tay Nó là hóa chất khô Super-K, hiệu quả hơn nhiều so với bình chữa cháy bằng CO2

+ Cùng với Natri Clorua và Liti Clorua, Kali Clorua được sử dụng cho hàn khí của Nhôm,

+ Sử dụng trong y học, khoa học và chế biến thực phẩm

+ Có thể thay thế NaCl trong một số trường hợp như: muối ăn, làm mềm nước,

II Phương pháp điều chế

KCl được chiết xuất từ các khoáng xinvit, cacnalit và Kali Và cũng có thể sản xuất từ nước muối bằng các kết tinh từ dung dịch, tuyển nổi và điện tách từ các khoáng chất thích hợp KCl là một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất axit nitric từ Kali Nitrat

và Axit Clohidric

Có nhiều phương pháp điều chế KCl trong phòng thí nghiệm:

i) Phản ứng giữa kali hydroxit (KOH) với axit hydrochloric (HCl)

KOH (aq) + HCl (aq) -> KCl (aq) + H2O (l)

- Là phản ứng trung hòa axit-bazo, kết quả muối KCl thu được được tinh chế bằng tái kết tinh

ii) Đốt Kali kim loại với khí Cl2 để tạo ra muối KCl

2K (s) + Cl2 (k) -> 2KCl (s)

III Chọn phương án thiết kế

Cô đặc dung dịch KCl bằng hệ thống cô đặc ba nồi ngược chiều với thiết bị cô đặc kiểu đứng

1 Khái niệm chung về cô đặc

Trang 3

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 chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

+ Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi cô đặc Quá trình có thể gián đoạn hoặc liên tục

Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ Hơi này có nhiệt

độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc tiếp theo Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài dây chuyền gọi là hơi phụ

2 Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều

Cô đặc nhiều nồi:

Nguyên tắc hoạt động: dung dịch được đốt nóng bằng hơi đốt trong thiết bị đun nóng sau đó cho vào nồi thứ nhất, hơi bốc ra ở nồi này sẽ làm hơi đốt cho nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai làm hơi đốt cho nồi thứ 3, hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng

tụ Dung dịch lần lượt đi vào nồi này sang nồi kia, qua mỗi nồi sẽ bốc hơi một phần, do đó nồng độ sẽ tăng lên dần

Điều kiện: áp suất nồi sau phải nhỏ hơn nồi trước

Ưu điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi: có hiệu quả kinh tế cao hơn so với hệ thống cô đặc một nồi

Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch KCl này, ta sử dụng hệ thống cô đặc

ba nồi ngược chiều, với thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

+ Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều:

Ưu điểm: khi cô đặc dung dịch có nồng độ cao sẽ được lấy ở nồi đâu, ở đó có nhiệt độ

là lớn nhất, do đó độ nhớt không tăng nhiều và ít đóng cặn Do đó hệ số truyền nhiệt trong các nồi ít thay đổi Lượng hơi đốt ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn khi cô đặc xuôi chiều, do đó lượng nước để làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ

Nhược điểm: Phải có bơm để vận chuyển dung dịch

+ Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài kiểu đứng:

Trang 4

Hình 1.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn; Các ống truyền nhiệt có thể làm dài nên cường độ tuần hoàn cao, do đó cường độ bốc hơi lớn

Trang 5

Phần I: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH Các số liệu ban đầu:

Năng suất tính theo dung dịch đầu (tấn/h) : 15

Nồng độ dầu của dung dịch (%khối lượng) : 8

Nồng độ cuối của dung dịch (%khối lượng) : 35

Áp suất hơi đốt nồi 1 (at) : 4,5

Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at) : 0,1

1.1 Cân bằng vật liệu

1.2

1.2.1 Xác định lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống cô đặc

Gọi Gđ, Gc : là lượng dung dịch đầu và cuối kg/h

xđ, xc : nống độ đầu và cuối của dung dịch, % khối lượng

W : lượng hơi thứ bốc ra, kg/h

Xem quá trình bốc hơi không bị mất mát theo hơi thứ, khi đó phương trình cân bằng vật liệu của cô đặc được biễu diễn như sau:

xđ =8%khối lượng xc =35%khối lượng

 Lượng hơi thứ đi ra khỏi hệ thống là: W=11,571 tấn/h

Để đảm bảo cho toàn bộ hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp sao cho:

1.3 Cân bằng nhiệt lượng

1.3.1 Xác định áp suất trong mỗi nồi

Trang 6

P1, P2, P3: áp suất hơi đốt của nồi 1, 2, 3, at

Pnt : áp suất hơi ở thiết bị ngưng tụ, at

ΔP: hiệu số áp suất chung của hệ thống, at Bằng cách giả thiết hệ số áp suất giữa các nồi là một đại lượng thích hợp

Cho: ΔP1/ ΔP2=1,5; ΔP2/ ΔP3=1,75

Ta có:

ΔP= ΔP1+ ΔP2+ ΔP3= P1 – Pnt=4,5-0,1=4,4 (at) Nên: ΔP= 1,5 ΔP2 + ΔP2 + ΔP2 /1,75 = 4,4 => ΔP2=1,43 (at)

Gọi thđ1, thđ2, thđ3, tnt là nhiệt độ hơi đốt đi vào các nồi cô đặc và thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2, tht3 là nhiệt độ hơi thứ đi ra các nồi 1, 2, 3

Với thđ1= thđ2 + 1oC

tht2= tht3 + 1 oC

tht3 = tnt + 1 oC

Dựa vào bảng I250, STQTTB, T1/312 và bảng I251, STQTTB, T1/314

Ta thu được bảng sau:

Bảng 1.1: nhiệt độ và áp suất hơi thứ và hơi đốt trong các nồi

P1 (at) T(oC) P2(at) T(oC) P3(at) T(oC) Pnt(at) T(oC) Hơi đốt 4,50 147,00 2,35 124,26 0,92 96,43 0,1 45,40 Hơi thứ 2,43 125,26 0,942 97,43 0,106 46,40 - -

Ts – nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, K

r- ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc, J/kg

Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/64 ta sẽ biết được tổn thất nhiệt độ Δ0’ theo nồng độ x(% khối lượng)

Bảng 1.2: Tổn thất nhiệt độ theo nồng độ trong các nồi

Trang 7

Nồng độ dung dịch 35 16,64 10,43

Tra bảng I251, STQTTB, T1/314-315, ta xác định được nhiệt hóa hơi r theo áp suất hơi thứ của các nồi

Bảng 1.3: Nhiệt hóa hơi r theo áp suất hơi thứ

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ là:

Δ’= 5,33 oC

1.3.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

Đối với một cột chất lỏng, khi càng xuống sau áp lực càng cao nên càng xuống sâu nhiệt độ sôi của nó càng tăng, sự tăng nhiệt độ này gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh bằng hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch tại lớp chất lỏng có nhiệt độ sôi trung bình với nhiệt độ sôi của dung dịch trên bề mặt thoáng (thường chọn nhiệt độ sôi trung bình ở ½ độ cao của ống truyền nhiệt)

Δ’’= ttb – to

Với ttb - nhiệt độ sôi ứng với Ptb

to - nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng

Theo CT VI.12, STQTTB, T2/60, ta có:

Ptb = Pht + (h1 + h2 /2)* ρdds*g

Trong đó:

Ρht- áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2;

h1- Chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến bề mặt thoáng dung dịch, thường chọn h1=0.5m;

h1- Chiều cao của ống truyền nhiệt, m, chọn h2=3m;

Trang 8

g - gia tốc trọng trường, g=9.81 m/s2;

ρdds - khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3;

Dựa vào bảng I.204-ST1-tr236 để tra Ts và ρdd theo x1=%

Từ đó tính được ρdds = ρdd /2 => Ptb

Sử dụng quy tắc Babo để tính nhiệt độ sôi của dung dịch giữa ống truyền nhiệt:

(P/Ρs )= K = const => P/Ρs = Ρ0 /Ρso => Ρs = Ρso *P/Ρo

Trong đó: Ρo=1at - giá trị áp suất ở điều kiện chuẩn của dung dịch

Ρso - áp suất hơi bão hòa của nước tại nhiệt độ sôi của dung dịch ở điều kiện tiêu chuẩn (Nội suy từ bảng I250, STQTTB, T1/312)

P - áp suất môi trường (hơi thứ), at

Ρs - áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất P, at

 Ρs = Ρso *P

Tra bảng I204, STQTTB, T1/236 chất KCl; nội suy và ngoại suy từ bảng I42, STQTTB, T1/41; bảng nội suy bảng I250, STQTTB, T1/312; bảng I251, STQTTB, T1/315 ta lập được bảng sau:

Bảng 1.5: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

1.3.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong toàn bộ hệ thống và từng nồi

vi) Cho từng nồi:

Nồi 1:

Trang 9

1.3.4 Cân bằng nhiệt lượng

1.3.4.1 Nhiệt lượng riêng của hơi đốt và hơi thứ

I – nhiệt lượng riêng của hơi đốt, J/kg

i – nhiệt lượng riêng của hơi thứ, J/kg

Các giá trị trên được tra ở bảng I250, STQTTB, T1/312 Ta thu được bảng sau

Bảng 1.6: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt và hơi thứ ở các nồi:

Nhiệt độ 0C Nhiệt lượng riêng

1.3.4.2 Nhiệt dung riêng của dung dịch và nước ngưng

i) Nhiệt dung riêng của dung dịch gồm 2 cấu tử, sử dụng CT I43, STQTTB, T1/152

- Đối với dung dịch loãng x < 20%

= 4186(1 − ), /( độ)

- Đối với dung dịch đặc x > 20%

= × + 4186(1 − ), /( độ) Với – nhiệt dung riêng hòa tan khan, được xác định theo CT I.41, STQTTB, T/152

Trong đó: M – khối lượng mol của hợp chất, ( KCl)

c – nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học, J/(kg.độ), (KCl)

, , , ….– số nguyên tử của nguyên tố trong hợp chất

, , , … - nhiệt dung riêng của nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, J/(kg nguyên tử.độ) ( tra bảng I.141, STQTTB, T1/152)

+) Đối với nồi 1:

x = 35%,

Với M = 74.5

= 1, = 1

Trang 10

Tra bảng I.249, STQTTB, T1/311 và phương pháp nội suy

+) Đối với nồi 1:

Nhiệt độ t = 147.00 0C => = 4304.50(

.độ) +) Đối với nồi 2:

Nhiệt độ t = 124.92 0C => = 4257.87(

.độ) +) Đối với nồi 3:

Nhiệt độ t = 99.10 0C => = 4219.28 (

.độ)

Bảng 1.7 : Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng của hơi đốt, hơi thứ, dung dịch và nhiệt

độ hơi thứ, hơi đốt và nhiệt độ sôi của dung dịch trong các nồi

Nhiệt độ

0

C

× 10J/(kg.độ) J/(kg.độ)

Nhiệt độ

0

C

× 10 J(kg.độ)

Nhiệt độ

0C

c J/(kg.độ)

Trang 11

- D D D1, 2, 3: lượng hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, nồi 3 ,kg/h

- G G đ, c: lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống ,kg/h

- W : lượng hơi thứ bốc ra của toàn hệ thống, kg/h

- W W W1, 2, 3: lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2 và nồi 3, kg/h

- C C C1, 2, 3: nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- C C đ, c: nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra, J/kg.độ

- C n1,C n2,C n3: nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- I I I1, 2, 3: hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- i i i1, ,2 3: hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- t tđ, c: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, 0C

- , , : nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3 ở P tb, 0C

- θ 1 , θ 2 , θ 3: nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, 0C

- Q tt1,Q tt2,Q tt3: nhiệt độ tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, J

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:  Qvào   Qra

Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:

Bảng 1.8 : Cân bằng nhiệt lượng của mỗi nồi

Ra Hơi thứ ra

D

(

.05,

Trang 12

Lượng hơi đốt cần thiết đi vào nồi 1:

Thay số vào phương trình cân bằng nhiệt lượng (1), ta rút ra được

(0.95 − 0.95 )

= 4859,608

ℎ1.4 Tính các thông số kỹ thuật chính

1.4.1 Độ nhớt

Sử dụng công thức Pavolow:

Trong đó: - nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt

- nhiệt độ chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng

Tính toán cho từng nồi:

K t t





2 1

Trang 13

Nồi 1: x=35%, chọn chất chuẩn là nước

= 30℃ = 0,91 10 tra theo bảng I.107, STQTTB, T1/101

Nhiệt độ của nước tương ứng với t1 là = 24,20℃ tra bảng I.102, STQTTB, T1/94

Nhiệt độ của nước tương ứng với là = 52,17℃ tra bảng I.102, STQTTB, T1/94

Suy ra:

30 − 8024,20 − 52,17 = 1,788

Mà nồi 1: = 139,5℃ (nhiệt độ dung dịch)

Do đó:

1,788 + 52,17 = 85,45℃

Tra bảng I.102, STQTTB, T1/94, ta được = 0,3377 10 ( )

Nồi 2: x=16,64%, chọn chất chuẩn là nước

Suy ra:

30 − 8027,95 − 66,38 = 1,301

Mà nồi 2: = 107,71℃ (nhiệt độ dung dịch)

Do đó:

1,301 + 66,38 = 87,68℃

Nồi 3: x=10,43%, chọn chất chuẩn là nước

Trang 14

Suy ra:

30 − 8029,35 − 70,75 = 1,208

Mà nồi 1 = 75℃ (nhiệt độ dung dịch)

Do đó:

1,208 + 70,75 = 66,61℃

1.4.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Hệ số dẫn nhiệt (ký hiệu là ) là đại lượng đặc trưng cho một chất liệu ở một trạng thái vật lý nào đó về khả năng dẫn nhiệt của nó Hệ số dẫn nhiệt chỉ rõ lượng nhiệt được truyền bằng phương thức dẫn nhiệt qua một đơn vị bề mặt trao đổi nhiệt trong một đơn vị thời gian khi gradient nhiệt độ bằng một đơn vị nghĩa là khi nhiệt độ giảm một độ trên một đơn vị dài của chất liệu theo phương của dòng nhiệt

| |( theo công thức I 25, STQTTB, T1/122)

Trong đó: k- hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào đơn vị được dùng

q- là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian

grad t – gardien nhiệt đọ

Đối với dung dịch, ta áp dụng công thức I.32, STQTTB, T1/123

độTrong đó:

A- hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, chọn A= 3,58.10-8

– nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch, J/kg.độ

– khối lượng riêng của dung dịch, kg/

M- khối lượng mol của dung dịch, g/mol;

M m

M

2

).

1 (

ct H O

x M m

Trang 15

Khi đó hệ số dẫn nhiệt của dung dịch trong nồi 1 là:

= = 3,58 10 2965,20 1191.63 1193.63

24,5 = 0,462 ( độ) Nồi 2 x = 16,64% => = 0,046

= 0,046.74,5 + (1 – 0,046).18 = 20,60 (g/mol)

Khi đó hệ số dẫn nhiệt của dung dịch trong nồi 1 là:

= = 3,58 10 1064.78 3489,45 1064.78

20,60 = 0,496 ( độ) Nồi 3 x = 10,43% => = 0,027

, ( độ) 10 , (

.)

M m

M

2

).

1 (

1

O H

M m

M

2

).

1 (

1

Trang 16

1.4.3.1 Hệ số cấp nhiệt đối với hơi đốt:

Khi tốc độ của hơi nhỏ và màng nước ngưng chuyển động dòng, hệ số cấp nhiệt đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau: (V.99, STQTTB, T2/28)

= 1,15( ) /Trong đó:

= 2,04

Δ Trong đó: = ( ) . , phụ thuộc vào nhiệt độ của màng

Với = 0,5( + đ), mà = đ− ∆

= đ− ∆ /2

H – chiều cao ống (H=5m), m

– hệ số dẫn nhiệt của nước ngưng, W/m.độ

– khối lượng riêng của nước ngưng, kg/

– độ nhớt của nước ngưng, J/kg

Trang 17

– nhiệt dung riêng cửa nước ngưng, J/kg.độ

r - ẩn nhiệt nước ngưng, J/kg

∆ = − – hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía trước mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng, độ

Tra bảng I.250, STQTTB, T1/312 ta xác định được nhiệt hóa hơi r trong các nồi

Bảng 1.10 : Ẩn nhiệt hóa hơi trong các nồi cô đặc

- Nhiệt tải riêng

Trang 18

= ∆ = 7970,88 1,90 = 15144,67 ( )

1.4.3.2 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch:

Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong các ống thì có thể tính hệ số cấp nhiệt theo hệ số cấp nhiệt của nước

Hệ số cấp nhiệt được tính như sau (theo công thức VI.27, STQTTB, T2/71)

= Trong đó: – hệ số cấp nhiệt đối với nước

, ( độ) 10 , (

.)

Tra bảng I.249, STQTTB, T1/310 ta tìm được , , ,

Bảng1.13: các thông số của nước tại nhiệt độ sôi của dung dịch

sôi

, ℃

, ( độ)

, ( độ) 10 , (

.)

Trang 19

= 0,4620,6841

926,84

2965,204285,95

0,2020,3377

,

= 0.679 Nồi 2:

=

= 0,4960,6835

952,69

3489,454230,02

0,2640,3251

,

= 0,772 Nồi 3:

=

= 0,5150,6710

,1024,88974,89

3749,404191,00

0,3780,4257

Δ – hiệu số nhiệt độ giữa hai bên thành thiết bị

– nhiệt trở do lớp nước ngưng

– nhiệt trở do lớp cặn bẩn của dung dịch bám trên thành ống

– nhiệt trở qua lớp vật liệu

– bề dày ống truyền nhiệt ( ℎọ = 2,5 )

– hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt

Chọn loại thép không gỉ và bền nhiệt có ký hiệu là 12MX

hệ số dẫn nhiệt = 50,2 (W/m.độ) (tra bảng XII.7, STQTTB, T2/313)

Tra bảng V.I, STQTTB, T2/4, ta xác định được

=> = + + = 0,232 10 + 0,387 10 + 0,0498 10

= 0,669 10 ( độ)

Ta có: = ∆ , nhiệt tải riêng, (W/ )

Trong đó: ∆ – hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi

Trang 20

∆ = − Với – nhiệt độ bề mặt thành ống phía dung dịch

– nhiệt độ của chất lỏng sôi

=> = đ− ∆ − ∆ Tính toán trong các nồi

- Hiệu số nhiệt độ hai bên thành thiết bị:

Trang 21

12390,5725,67 = 482,6868( độ) Nồi 3:

Trang 22

15849,0635,69 = 444,075( độ) 1.4.4 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích thực cho các nồi

Ở đây phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

Trong trường hợp này hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi tỉ lệ bậc nhất với tỉ số Q/K của các nồi tương ứng:

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi, J/kg

Q K

Trang 23

11771,432

11760,75

Hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống: ∆ = 70,01 ℃

Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi là:

Nồi 1:

Trang 24

∆ = 70,01 5690,547

12395,672 = 9,32 ℃ Nồi 2:

∆ = 70,01 3304,764

12395,672 = 24,51 ℃ Nồi 3:

∆ = 70,01 3400,451

12395,672 = 36,18 ℃ Tính toán sai số nhiệt độ hữu ích theo bảng sau:

Bảng 1.15: Tính sai số nhiệt độ hữu ích

(giả thiết ) (tính toán) Sai số %

=

2462478,60745,130 24.51 = 115,87( ) Nồi 3:

=

2494102,612733,462 36,18 = 115,86( ) Vậy bề mặt truyền nhiệt cho cả 3 nồi là:

% 100 ) (

) ( )

tính t gt t

hi

hi hi

i i

t K

Q F





Trang 25

Phần II: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 2.1 Buồng đốt của nồi cô đặc

3 Chiều cao ống truyền nhiệt: h = 5 m

Số ống truyền nhiệt được xác định theo công thức sau:

= ℎ =

115,870,038 5 3,14 = 194,21 (ố ) Theo bảng quy chuẩn V.11, STQTTB, T2/48, ta có số ống truyền nhiệt là n=241 ống, với mạng ống được sắp xếp theo kiểu hình sáu cạnh, số hình sáu cạnh là 8, số ống trên các đường xuyên tâm của hình sáu cạnh là 17 Tổng số ống trong hình viên phân là 24 ống Tổng số ống truyền nhiệt là 241 ống

Khi đó, bề mặt truyền nhiệt thực là:

= ℎ = 241 3,14 5 0,038 = 143,78 ( ) Tổng diện tích cắt ngang của ống gia nhiệt:

4 = 241.

0,038 3,14

2.1.2 Đường kính trong của buồng đốt

Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức V.141, STQTTB, T2/49

= ( − 1) + 4Trong đó:

t- bước ống, thường chọn = (1,2 − 1,5)

= (1,2 − 1,5) = 1,4 0,038 = 0,0532(m) b- số ống truyền nhiệt trên đường chèo của hình lục giác đều

=> = 0,0532(17 − 1) + 4.0,038 = 1,0032( )

Tra bảng XIII.6, STQTTB, T2/359, chọn = 1,0 ( )

2.1.3 Bề dày buồng đốt

Trang 26

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là vật liệu thép không gỉ và bền nhiệt, có ký hiệu 12MX

Bề dày buồng đốt hình trụ được tính theo công thức XIII.8, STQTTB, T2/360

2[ ]

Trong đó: D t – đường kính trong, m

- hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, chọn

= 0,95 theo bảng XIII.8, STQTTB, T2/362

C – số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

P – áp suất trong thiết bị, N/m2

- ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [ k] và ứng suất theo giới hạn chảy

[ ch]

- Ứng suất cho phép khi kéo : [ ] k .

k b

n



  , (N/m2) (theo CT XIII.1/355-[2] )

Với: - hệ số điều chỉnh, tra bảng XIII.2, STQTTB, T2/356, chọn = 0,9

n b - hệ số an toàn theo giới hạn bền, tra bảng XIII.3, STQTTB, T2/356 Vật liệu hợp

- Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy:

Theo công thức XIII.2, STQTTB, T2/356 [ ] c .

c c

n



  , N/m2 Tương tự ta chọn, = 0,9; n c= 1,5 ; c= 240.106 N/m2

Với C1 – đại lượng bổ sung do ăn mòn, C1 = 1mm

C2 –đại lượng bổ sung do hao mòn, trong trường hợp tính toán thiết bị theo

hóa chất, có thể bỏ qua

C3 -đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày

tấm vật liệu, tra theo bảng XIII.9, STQTTB, T2/364, chọn C3 = 0,4 mm

10

5,1

10

]

[



Trang 27

Áp suất trong thiết bị bằng áp suất P hđ1= 4,5 at

Ta có: P = P hđ1 = 4,5.9,81.104 = 441450 N/m2

1

2[ ]

Vậy bề dày S = 4 mm thỏa mãn nồi 1

Do hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, nên áp suất buồng đốt các nồi 2,3 nhỏ hơn áp suất buồng đốt nồi 1 nên chiều dày S nồi 2, 3 sẽ nhỏ hơn chiều dày S của nồi 1

Do đó, ta chọn chiều dày buồng đốt cho cả 3 nồi là 4mm

2.1.4 Chiều dày đáy và nắp buồng đốt

Đáy cũng như nắp được chế tạo cùng vật liệu với thân thiết bị cô đặc, đáy với nắp được nối với thân thiết bị bằng cách hàn, ghép bích hoặc hàn liền với thân Đối với thân hình trụ thẳng đứng, áp suất trong lớn hơn 7 10 / ta thường chọn đáy hình elip

Chiều dày S được xác định theo công thức XIII.47, STQTTB, T2/385

3,8 [ ] − .2 ℎ + ( ) Trong đó:

ℎ - chiều cao phần lõi của đáy, có giá trị ℎ = 0,25 = 0,25.1,0 = 0,25( )

=0,95 (vật liệu cacbon thép không gỉ, hàn giáp mối 2 bên)

k –hệ số, xác định như sau:



2 , 1

c th



Định dạng
Số trang	54
Dung lượng	4,28 MB