Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là NaNO3, vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó.Trong quy trình sản xuất NaNO3, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng. Nó đưa dung dịch NaNO3 đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình kết tinh nếu cần.Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịch NaNO3 từ 15% lên 45%.Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất và công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác Một hóa chất sản xuất sử dụng nhiều NaNO 3, khả ứng dụng rộng rãi Trong quy trình sản xuất NaNO3, trình cô đặc khâu quan trọng Nó đưa dung dịch NaNO3 đến nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, tạo điều kiện cho trình kết tinh cần Nhiệm vụ cụ thể đồ án thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi có buồng đốt ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục áp suất chân không, cô đặc dung dịch NaNO3 từ 15% lên 45% Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất công nghệ thực phẩm, việc thực đồ án thiết bị quan trọng Nó vừa tạo hội cho sinh viên ôn tập hiểu cách sâu sắc kiến thức học trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán chi tiết thiết bị với thông số kỹ thuật cụ thể Tuy nhiên, trình thiết bị môn học khó kiến thức thực tế sinh viên hạn chế nên việc thực đồ án thiết bị nhiều thiếu sót Vì vậy, em mong nhận đóng góp hướng dẫn quý thầy cô giáo anh chị năm trước để hoàn thành tốt đồ án giao SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ THỰC HIỆN I – NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi có buồng đốt ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục áp suất chân không cho dung dịch NaNO3 Yêu cầu: Năng suất theo dung dịch đầu: 8000 (kg/h) Nồng độ dung dịch trước cô đặc: 15 % Nồng độ dung dịch sau cô đặc: 45 % Nhiệt độ ban đầu dung dịch: 30 (0C) Áp suất đốt: (at) Áp suất lại thiết bị ngưng tụ: 0,2 (kg/m2) II – GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU: Tên khoa học: Sodium Nitrate Tên thường gọi: Muối Natri nitrat Công thức hóa học: NaNO3 NaNO3 chất rắn trắng tinh thể không màu, có khả tan tốt nước (đến 86,4% nhiệt độ thường) Dung dịch NaNO có độ nhớt bé, sức căng bề mặt lớn nên dung dịch sôi sủi bọt nhiều Đồng thời muối nitrat có tính ăn mòn hóa học, đặc biệt điều kiện nhiệt độ cao áp suất cao cần ý vấn đề chọn vật liệu thiết bị điều kiện cô đặc Ứng dụng NaNO3: - Sản xuất phân bón, phân đạm nitrat - Sản xuất thuốc nổ hỗn hợp tạo khói tên lửa - Trong công nghiệp sản xuất hóa chất như: sản xuất axit nitric cho phản ứng với axit sunfuaric… SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền - Là thuốc thử sử dụng thông dụng phòng thí nghiệm - Trong công nghiệp thực phẩm loại phụ gia, ướp loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay cho KNO3 - Dùng công nghiệp thủy tinh, luyện kim Tính chất nguyên liệu: 2.1 Tính chất hóa lý: - Dạng tồn tại: tinh thể rắn bột màu trắng, không mùi, vị mặn, đắng - Phân tử lượng: 84,9947 (g/mol), khối lượng riêng 2,3 ×103 (kg/m3) - Tan chảy 307 (0C) sôi 380 (0C) - Độ hòa tan: + Có khả tan nước, độ hòa tan tăng nhiệt độ tăng Ở nhiệt độ thường, độ hòa tan 92g/100 ml + Dễ tan amoni lỏng, tan methanol (CH 3OH), tan acetone glycerol 2.2 Tính chất hóa học: - Phản ứng mạnh với chất cháy, hữu - Có phản ứng với loại chất khử, axit III – KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC: Khái niệm cô đặc: Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hòa tan dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc dung dịch lỏngrắn hay lỏng-lỏng có chênh lệch nhiệt sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn) Đó trình vật lý-hóa lý Tùy theo tính chất cấu tử khó bay (hay không bay trình đó), ta tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay phương pháp làm lạnh kết tinh SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Các phương pháp cô đặc: 2.1 Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng 2.2 Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến mức cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử áp suất bên tác dụng lên mặt thoáng mà trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp phải dùng đến máy lạnh Bản chất cô đặc nhiệt: Để tạo thành (trạng thái tự do) tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phân tử đủ lượng thực trình Bên cạnh bay chủ yếu bọt khí hình thành trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hoàn tự nhiên nồi cô đặc Ứng dụng cô đặc: Quá trình cô đặc ứng dụng: sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, dung dịch nước trái cây…; sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô cơ…Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền máy nên việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Đòi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an toàn hiệu suất cao IV – CÁC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NHIỆT: Phân loại ứng dụng: 1.1 Theo cấu tạo: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm: + Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), có ống tuần hoàn + Có buồng đốt (không đồng trục buồng bốc) - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Gồm: + Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn + Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm dung dịch nước trái cây, hoa ép…, gồm: + Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ + Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt bọt dễ vỡ 1.2 Theo phương pháp thực trình: Quá trình cô đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), hệ thống thiết bị cô đặc hay hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó: SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền - Cô đặc chân không dùng cho dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy nhiệt - Cô đặc áp suất cao áp suất khí dùng cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao dung dịch muối vô cơ, để sử dụng thứ cho cô đặc cho trình đun nóng khác - Cô đặc áp suất khí thứ không sử dụng mà thải không khí Đây phương pháp đơn giản không kinh tế V – LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC: Dựa theo tính chất nêu nguyên liệu yêu cầu cho đồ án, ta chọn hệ hống cô đặc hai nồi, làm việc liên tục, áp suất chân không, có buồng đốt ống tuần hoàn trung tâm - Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh sửa chữa, cô đặc áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi dung dịch nên giảm chi phí lượng, hạn chế chất tan bị theo bị bám vào thành thiết bị làm hư thiết bị - Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt thấp VI - CẤU TẠO THIẾT BỊ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ: Cấu tạo hoạt động nồi cô đặc: Nồi cô đặc ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo gồm buồng đốt, buồng bốc phận thu hồi cấu tử Trong đó: - Buồng đốt bao gồm ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch ống đốt ống Nguyên tắc hoạt động ống tuần hoàn trung tâm là: ống tuần hoàn có đường kính lớn đường kính ống truyền nhiệt nên hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sôi so với dung dịch ống truyền nhiệt Khi sôi dung dịch có khối lượng riêng giảm tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả, tạo nên dòng chuyển động tuần hoàn đối lưu tự nhiên ống truyền nhiệt ống tuần hoàn SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền - Phía thiết bị buồng bốc Đây phòng trống, thứ tách khỏi hỗn hợp lỏng - dung dịch sôi Bên buồng bốc có phận thu hồi cấu tử để tách giọt chất lỏng lại thứ mang theo Thuyết minh quy trình: (sơ đồ trang cuối cùng) Nguyên liệu dung dịch NaNO có nồng độ đầu 15% bơm lên thiết bị gia nhiệt Thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ; đầu ống giữ chặt vĩ ống vĩ ống hàn dính vào thân Dung dịch bơm vào thiết bị, bên ống từ lên đốt bên ống Hơi đốt sau cấp nhiệt cho dung dịch nâng nhiệt độ dung dịch lên đến nhiệt độ sôi ngưng tụ lại Dung dịch sau gia nhiệt sơ đưa vào thiết bị cô đặc thực trình bốc Dung dịch cô đặc nồi tiếp tục chuyển sang nồi Hơi đốt sau cấp nhiệt cho dung dịch nồi cô đặc 1, phần bị ngưng tụ thành nước ngưng thu hồi cửa nước ngưng, thứ thoát đưa vào nồi cô đặc 2, thứ nồi vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch nồi sau cô đặc đến nồng độ yêu cầu 45% tháo theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ khí không ngưng thoát phía thiết bị cô đặc đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet bơm chân không hút Khí không ngưng lại tiếp tục qua thiết bị tách bọt SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền PHẦN II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH I – DỮ LIỆU BAN ĐẦU: Năng suất theo dung dịch đầu: Gđ = 8000 (kg/h) Nồng độ dung dịch trước cô đặc: xđ = 15 % Nồng độ dung dịch sau cô đặc: xc = 45 % Nhiệt độ ban đầu dung dịch: tđ = 76 (0C) Áp suất đốt: (at) Áp suất lại thiết bị ngưng tụ: 0,5 (at) II – CÂN BẰNG VẬT CHẤT: Tổng lượng thứ bốc khỏi hệ thống (W): Phương trình cân vật liệu cho toàn hệ thống : Gđ = Gc + W W : lượng thứ khỏi hệ thống (kg/h) Đối với chất tan : Gđ xđ = Gc xc xđ, xc nồng độ đầu, cuối dung dịch (% khối lượng) Hay : Gc = Gđ x x đ (kg/h) c Vậy, lượng bốc toàn hệ thống xác định : W = Gđ.(1 - x x đ ) = 8000 (1 - c 15 ) = 5333,33 (kg/h) 45 Xác định nồng độ cuối nồi: Ta có: W = W1+ W2 Với W1, W2 lượng thứ bốc nồi 1, (kg/h) SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Để đảm bảo việc dùng toàn thứ nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất lưu lượng thứ nồi thích hợp W1 ≥1,1 ÷1,3 W2 Giả sử chọn tỉ số thứ bốc lên từ nồi : 1,1 Khi ta có hệ phương trình: W1 = 1,1 W2 W1 + W2 = W Giải hệ có kết : W1 = 2793,65 (kg/h) W2 = 2539,68 (kg/h) Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi : xc1= G đ x đ 8000.15 = = 23,05 % Gđ − W1 8000 − 2793,65 Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi : Xc2= G đ x đ 8000.15 = = 45 % G đ − W1 − W2 8000 − 2539,68 − 2793,65 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền PHẦN III: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG I – XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA MỖI NỒI: Xác định áp suất nồi: Gọi P1, P2, Pnt áp suất nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ ∆P1: hiệu số áp suất nồi so với nồi ∆P2: hiệu số áp suất nồi so với thiết bị ngưng tụ ∆Pt: hiệu số áp suất hệ thống Giả sử chọn: Áp suất đốt vào nồi P1 = (at) Áp suất thiết bị ngưng tụ Pnt = 0,5 (at) Khi hiệu số áp suất hệ thống cô đặc : ∆Pt =P1 – Pnt = – 0,5 = 3,5 (at) Chọn tỉ số phân phối áp suất nồi là: ∆ P1 = 1,6 ∆ P2 Kết hợp với phương trình: ∆P1 + ∆P2 = ∆Pt = 3,5 (at) Suy ra: ∆P1 = 2,15 (at) ∆P2 = 1,35 (at) Vậy: P2 = P1 – ∆P1 = – 2,15 = 1,85 (at) Xác định nhiệt độ nồi: Gọi: thđ1, thđ2, tnt nhiệt độ vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ tht1, tht2 nhiệt độ thứ khỏi nồi 1, Giả sử tổn thất nhiệt độ trở lực đường ống gây chuyển từ nồi sang nồi 10C, thì: tht1 = thd2 + tht2 = tnt + SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 10 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Theo bảng VI.8 STQTTB, T2/trang 88 Kích thước ngăn: Để đảm bảo làm việc tốt, ngăn phải có dạng hình viên phân Do đó, chiều rộng ngăn xác định theo công thức sau: Dtr + 50(mm) b= CT VI.53,STQTTB,T2/Trang 85 Với: Dtr đường kính thiết bị ngưng tụ (mm) Vì ngăn có nhiều lỗ nhỏ, chọn nước làm nguội nước ⇒ Chọn đường kính lỗ (mm) Ta có: b = 800 + 50 = 450 (mm) Chiều cao gờ cạnh ngăn 40 (mm) Tổng diện tích bề mặt lỗ toàn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ nghĩa cặp ngăn: f = Gn = (m ) ωc Với: Gn lưu lượng nước (m3/s); Gn phụ thuộc vào nước ngưng tụ thường thay đổi theo giới hạn (15-60) W ω c tốc độ tia nước (m/s); chọn ω c = 0,62 (m/s) ρn : khối lượng riêng nước (kg/m3) Theo bảng I.5 STQTTB T1/ Trang 11 chọn ρ n = 994,06(kg / m ) →f = 22 = 0,036 (m2) 994,06.0,62 Các lỗ ngăn xếp theo hình lục giác nên ta xác định bước lỗ công thức: SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 55 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền t = 0,866.d fc ( mm) CT VI.55,STQTTB,T2/Trang 85 f tb Với: d: đường kính lỗ (mm) fc : tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện f tb thiết bị ngưng tụ, thường lấy 0,025 – 0,1 fc Vậy chọn f = 0,1 tb ⇒ t = 0,866.2 0,1 = 0,55 (mm) Chiều cao thiết bị ngưng tụ: Để chọn khoảng cách trung bình ngăn tổng chiều cao hữu ích thiết bị ngưng tụ, ta dựa vào mức độ đun nóng nước thời gian lưu nước thiết bị ngưng tụ Mức độ đun nóng nước xác định công thức: P= t 2C −t D Công thức VI.56,STQTTB,T2/Trang 85 t bh −t D Với t2C, t2D: nhiệt độ cuối, đầu nước tưới vào thiết bị (oC) tbh: nhiệt độ nước bão hoà ngưng tụ (oC) →P= 45 − 25 = 0,358 80,9 − 25 Tra bảng VI.7 STQTTB T2/ Trang 86 ta có: Số ngăn n = 4; số bậc = 2; khoảng cách trung bình ngăn h tb= 300 (mm) Tra bảng VI.8,STQTTB,T2/Trang 88, ta có: - Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị a = 1300 (mm) - Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị b = 1200 (mm) - Chiều cao tổng thiết bị ngưng tụ tính theo công thức: Hnt = n.htb + 800 = 4.300 + 800 = 2000 (mm) = (m) SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 56 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền - Khoảng cách thiết bị ngưng tụ thiết bị thu hồi: K 1= 950 (mm); K2= 835 (mm) - Chiều cao hệ thống thiết bị: H= 5080 (mm) - Chiều rộng hệ thống thiết bị: T = 2350 (mm) - Đường kính thiết bị thu hồi: D1 = 500 (mm); D2 = 400 (mm) + Chiều cao thiết bị thu hồi: h1 =1700 (mm); h2 = 1350(mm) Tính kích thước ống baromet: Áp suất thiết bị ngưng tụ 0,5 at; để tháo nước ngưng ngưng tụ cách tự nhiên thiết bị phải có ống Baromet Đường kính ống Baromet xác định theo công thức: dB = 0,004(Gn +W2 ) (m) CT VI.57,STQTTB,T2/Trang 86 π.ω Với: Gn: lượng nước làm nguội (kg/s) D : lượng ngưng tụ vào thiết bị (kg/s) ω : tốc độ hỗn hợp nước, chất lỏng ngưng chảy ống bazomet thường lấy (0,5- 0,6) (m/s); chọn ω= 0,5 (m/s) dB = Vậy: 0,004.(22 + 0,75) = 0,233 (m) 3,14.0,5 Chọn dB = 240 (mm) Chiều cao ống baromet xác định theo công thức: H= h1+ h2+ 0,5 (m), CT VI.58,STQTTB,T2/Trang 86 Với: h1: chiều cao cột nước ống cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h2: chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống Ta có: SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 57 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền h1 = 10,33 b ( m) CT VI.59,STQTTB,T2/Trang 86 760 Ở b độ chân không thiết bị ngưng tụ mmHg b = (1- 0,5).760 = 380 (mmHg) → h1 = 10,33 Và: h2 = 380 = 5,165 (m) 760 ω2 H + λ + ∑ ξ (m), CT VI.60,STQTTB,T2/Trang 87 2g d Hệ số trở lực vào đường ống lấy ξ = 0,5; khỏi ống lấy ξ = công thức có dạng sau: ω2 H h2 = 2,5 + λ (m) 2g d Với: H: toàn chiều cao ống Baromet (m) d: đường kính ống Baromet (m) λ : hệ số ma sát nước chảy ống Để tính λ ta tính hệ số chuẩn Re chất lỏng chảy ống Bazomet: Re = d B ρ n ω CT II.4,STQTTB,T1/Trang 359 µ Với: dB : đường kính ống dẫn (m) ρn : khối lượng riêng nước tra theo t 1v = 35 oC, ρ n = 994,06 (kg/m3) bảng I.5 STQTTB T1/Trang 11 µ : độ nhớt nước tra 35 oC µ = 0,7225.10-3 (N.s/m2) bảng I.102,STQTTB,T1/Trang 94 → Re = 0,24.994,06.0,5 = 1,65.10 > 10 −3 0,7225.10 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 58 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Vậy ống baromet có chế độ chảy xoáy, chế độ chảy xoáy ta xác định hệ số ma sát theo công thức sau: 6,81 0,9 ∆ = −2 lg + Công thức II.65,STQTTB,T1/Trang 380 3,7 λ Re Với: ∆ : độ nhám tương đối xác định theo công thức sau: ∆= ε Công thức II.65,STQTTB,T1/Trang 380 d td Trong đó: ε độ nhám tuyệt đối Tra bảng II.15,STQTTB,T1/Trang 381; chọn ε = 0,1 (mm) dtd: đường kính tương đương ống (m) π d B2 0,24 (m) d td = 4.Rtl = 4 = d B = π d 0,1.10 −3 →∆= = 0,42.10 − 0,24 = 0,02 (W/m.độ) λ = → 6,81 0,9 0,42.10 −3 + − lg 1,65.10 3,7 Nên: Vậy: 0,5 H h2 = 2,5 + 0,02 2.9,81 0,24 H = h1+ h2+ 0,5= 5,165 + 0,5 + h2 Giải hệ phương trình ta được: ⇒ H = 5,703 (m) h2 = 0,038 (m) SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 59 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Ngoài lấy thêm chiều cao dự trữ 0,5 m để tránh tượng nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn áp suất khí tăng Suy chiều cao Baromet : H = 6,241 (m) Vậy chọn H = (m) III –CHỌN BƠM: Bơm chân không: Ngoài tác dụng hút khí không ngưng không khí, bơm chân tác dụng tạo độ chân không cho thiết bị ngưng tụ thiết bị cô đặc Trong thực tế trình hút khí trình đa biến nên: k N = P v µck ( k −1) kk P2 P k −1 k −1 CT 3.3, trình thiết bị công nghệ hoá chất thực phẩm, T1/Trang 119 Với P1: áp suất khí lúc hút (N/m2) ; P1 = Pkk P2: áp suất khí lúc đẩy (N/m2) k: số đa biến không khí, lấy k = 1,25 µ ck : hiệu số khí bơm chân không kiểu pittông, µ ck = 0,9 N: công suất tiêu hao (W) V kk: thể tích khí không ngưng không khí hút khỏi hệ thống (m3/s) P1 = Pkk = (0,5- 0,0977).9,81.104 = 39465,63 (N/m2) Chọn: P2 = Pkq = 1,033 (at) = 101337,3 (N/m2) 1, 25−1 1,25 101337,3 1, 25 →N= 39465,63.0,019 − 1 = 864,7 (W) 39465,63 0,9.(1,25 − 1) Vậy công suất tiêu hao bơm chân không là: N = 864,7 (W) Công suất động cơ: SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 60 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học N dc = N β η tr η dc GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền CT II.250,STQTTB,T1/Trang 466 Với: β: hệ số dự trữ công suất, thường lấy β = 1,1-1,15, chọn β = 1,12 ηtr : hiệu suất truyền động, lấy η tr = 0,96 (thường lấy ηtr = 0,96 ÷ 0,99) η dc : hiệu suất động cơ, lấy η dc = 0,95 → N dc = 864,7 1,12 = 1062 (W) 0,96.0,95 Vậy công suất động bơm chân không 1062 (W) Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ: Chọn bơm ly tâm guồng để bơm nước lạnh lên thiết bị ngưng tụ, ta chọn chiều cao ống hút ống đẩy bơm là: Ho= 18 (m) Chiều dài toàn đường ống là: 22 (m) Đường kính ống dẫn nước: d= Gn 22 = = 0,119 (m), chọn ωn = (m/s) 0,785.ω ρ 0,785.2.997,08 Chọn d = 0,12 (m) Công suất động tính theo công thức sau: N= Với: Q.H ρ g ( KW) CT II.189,STQTTB,T1/Trang 439 1000η ρ : khối lượng riêng nước 25 (oC) N: công suất cần thiết bơm (KW) Q: suất bơm (m3/s) H: áp suất toàn phần (áp suất cần thiết để chất lỏng chảy ống) η : hiệu suất bơm, chọn η = 0,8 Bảng II.32,STQTTB,T1/ Trang 439, thường η = 0,8 – 0,94 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 61 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Tính Q: Q= Gn (m / s ) ρ Với: Gn lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ (kg/s) → Q= 22 = 0,022 (m3/s) 997,08 Tính H: H = Hm + Ho+ Hc (m) CT II.185,STQTTB,T1/Trang 438 Với : Hm: trở lực thủy lực mạng ống Hc: chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút (mdd) H o: tổng chiều dài hình học mà chất lỏng đưa lên (gồm chiều cao hút chiều cao đẩy) Trong đó: H áp suất toàn phần bơm tạo ra, tính mét cột chất lỏng bơm P2 P1 áp suất bề mặt chất lỏng không gian đẩy không gian hút (N/m2) ρ : khối lượng riêng chất lỏng cần bơm (kg/m3) g : gia tốc trọng trường (m/s2) Ho: chiều cao nâng chất lỏng (m) hm: áp suất tiêu tốn để thắng toàn trở lực đường ống hút đẩy (mdd) Tính Hm: l ω Hm = λ + ∑ξ (m) d g Với: l: chiều dài toàn ống, l = 22 (m) d: đường kính ống, d = 0,1 (m) ω : tốc độ nước ống , chọn ω = (m/s) λ : hệ số ma sát ∑ ξ : trở lực chung SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 62 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Hệ số ma sát xác định qua chế độ chảy Re: Re = ω.d.ρ n µ Trang 63,Cơ sở trình thiết bị công nghệ hóa học T1 Với: µ độ nhớt nước 25 oC, µ = 0,8937.10-3 (N.s/m2) → Re = 2.0,12.997,08 = 2,68.10 > 10 −3 0,8937.10 Nên ống có chế độ chảy xoáy Tính hệ số ma sát: 6,81 0,9 ∆ = −2 lg + 3,7 λ Re CT II.65, STQTTB, T1/Trang 380 Với: ∆ độ nhám tương đối ∆ = ε 0,1.10 −3 = = 8,33.10 − d td 0,12 = 0,02 (W/m.độ) →λ= 6,81 0,9 0,833.10 − − lg + , , 68 10 Tổng trở lực:theo bảng II.16,STQTTB,T1/Trang 382; ta có: ∑ ξ cửa vào = 0,5 (Bảng No10) ∑ ξ cửa = (Bảng No10) ξ khuỷu ống = 0,38 (6 khuỷu) (Bảng No29) ξ van tiêu chuẩn = 2,1 (Bảng No37) ξ van chắn = 0,3 (Bảng No43) → Vậy: ∑ ξ = 0,5 + + 6.0,38 + 2,1 + 8,61 = 14,49 22 22 H m = 0,02 + 14,49 = 3,85 (mdd) 0,1 2.9,81 Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút : H c = P2 − P1 (mdd) ρ g Với: P1, P2: áp suất tương ứng đầu ống hút, cuối ống đẩy SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 63 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học Hc = GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền (0,5 − 1).9,81.10 = −5,01 (mdd) 997,08.9,81 Áp suất toàn phần bơm: H= 3,85 + 18 + (– 5,01) = 16,84 (m) Công suất bơm: 0,022.16,84.997,08.9,81 = 4,53 (KW) 1000.0,8 N= Công suất động điện: N dc = N 4,53 = = 4,97 (KW) η dc η tr 0,96.0,95 Người ta thường lấy động có công suất lớn công suất tính toán để tránh tượng tải Vì N dc nằm khoảng 1- (KW) nên tra bảng II.33,STQTTB,T1/Trang 440 chọn hệ số dự trữ β =1,3 Suy ra: N = β Nđc = 1,3 4,97 = 6,5 (KW) Bơm dung dịch lên thùng cao vị: Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút chiều cao đẩy 18 m Công suất bơm tính theo công thức: n= H Q.ρ.g 1000.η CT II.189,STQTTB,T1/Trang 439 Với: η : hiệu suất bơm, chọn η = 0,85 Bảng II.32 STQTTB T1/ Trang 439 ρ: khối lượng riêng NaNO3 có C = 15 %, t = 30 (oC) BảngI.59, STQTTB, T1/Trang 46, có ρ = 1094,27 (kg/m3) Q: suất bơm (m3/s) H: áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động ống H = H m + Hc + Ho Với: Hm: trở lực mạng ống Hc : chênh lệch áp suất cuối ống đẩy, đầu ống hút SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 64 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Ho : chiều cao ống hút đẩy, chọn: Ho = 18 (m), toàn chiều dài đường ống 22 (m) Q= Tính Q: Gđ ρ (m3/s) Với: Gđ lượng dung dịch đầu (kg/s) Q= 8000 = 0,002 (m3/s) 1094,27.3600 Tính H: Tính Hm: l ω H m = λ + ∑ξ d g d= Q 0,002 = = 0,036 (m) Chọn ωdd = (m/s) ω 0,785 2.0,785 Chọn d = 0,05 (m) µdd = 0,94.10-3 Hệ số ma sát tính qua chế độ chảy Re: Re = ω.d ρdd 2.0,05.1094,27 = = 1,164.10 > 104 −3 µdd 0,94.10 Có chế độ xoáy, suy ra: = 0,025 (W/m.độ) λ= 0,9 − 6,81 2.10 + − lg , , 164 10 ε 0,1.10 −3 Với: ∆ = = = 2.10 −3 −2 d 5.10 Tổng trở lực: theo bảng II.16,STQTTB,T1/ Trang 382; ta có: ∑ ξ cửa vào = 0,5 (Bảng No10) ∑ ξ cửa = (Bảng No10) ξ khuỷu ống = 0,38 (3 khuỷu) (Bảng No29) SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 65 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền ξ van tiêu chuẩn = 2,1 (Bảng No43) ξ van chiều = 8,61 (Bảng No47) → ∑ ξ = 0,5 + + 3.0,38 + 2,1 + 8,61 = 13,35 Vậy: 22 12 H m = 0,025 +13,35 = 1,24 (mdd) 0,05 2.9,81 Tính Hc: Hc = P2 − P1 (1,8 − 1).9,81.10 = = 7,31 (mdd) ρ g 1094,27.9,81 Áp suất toàn phần bơm: H = 1,24 + 7,31 + 18 = 26,55 (mdd) Công suất bơm: N= 0,002.26,55.1094,27.9,81 = 0,71 (KW) 1000.0,8 Công suất động điện: N đc = N ηđc ηtr Để tránh tượng tải chọn hệ số dự trữ β = Tra bảng II.33,STQTTB,T1/Trang 440 N đc = 0,71 = 1,56 (KW) 0,96.0,95 PHẦN VI:KẾT LUẬN SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 66 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Trong thời gian giao nhiệm vụ thiết kế đồ án môn học, em thực nghiêm túc cố gắng hết khả thân Đến em hoàn thành nhiệm vụ Bản đồ án thiết kế hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc buồng đốt ống tuần hoàn trung tâm đối lưu tự nhiên bao gồm: Phần I: Tổng quan phương pháp công nghệ thực Phần II: Tính toán cân vật chất Phần III: Tính cân lượng Phần IV: Tính thiết bị Phần V: Tính thiết bị phụ trợ Phần VI: Kết luận Sau thực đồ án này, em hình dung công việc người thiết kế Ngoài ra, giúp em nắm vững phần lý thuyết học, cách tính toán thiết bị phân tích lựa chọn thiết bị, vật liệu làm thiết bị để phù hợp với yêu cầu thực tế Nhưng qua em nhận thấy thân phải học hỏi nhiều, để thiết kế vào thực tế cần phải thực nhiều vấn đề Tuy em cố gắng nhiều kiến thức thân hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Mong thời gian đến em hoàn thiện kiến thức để làm tốt thiết kế sau Huế, ngày 18 tháng năm 2011 PHẦN VII: TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 67 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền Trần Xoa cộng Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1999 Trần Xoa cộng Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1999 http://ewormvn.wordpress.com/2010/07/02/h%C6%B0%E1%BB%9Bng-d %E1%BA%ABn-s%E1%BB%AD-d%E1%BB%A5ng-an-toan-natri-nitratnano3/ http://www.thietbihoachat.com/modules.php?name=Files&go=showcat&cid=13 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 68 Lớp: CNTP 41 Đồ án môn học GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền MỤC LỤC Vật liệu thép CT.3 có giới hạn bền : 40 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh 69 Lớp: CNTP 41