Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng. Cô đặc dung dịch HCl

Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng. Do đó ngành công nghiệp hóa chất cơ bản cũng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày càng phong phú. Trên cơ sở đó, quy trình sản xuất luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn. Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất.Để sản xuất HCL dạng dung dịch có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều năng lượng cho quá trình cô đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch). Việc tiết kiệm năng lượng cho quá trình này được quan tâm hàng đầu. Với mục tiêu đó, đồ án này thực hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch HCL ba nồi xuôi chiều.Vì vậy, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyền thiệt bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách. Trong đó, nghiên cứu cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất. Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp nước ta đang phải đối đầu với những thách thức to lớn. Việc đào tạo nguồn nhân lực trẻ có đức có tài ngày càng trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và không thể thiếu. Để trở thành một người kỹ sư, việc giải các bài toán công nghệ hay việc thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ là một việc rất cần thiết và tất yếu. Ý thức được tầm quan trọng và vai trò của mình trong tương lai, em đã vận dụng những kiến thức mà mình đã được học trong suốt các năm học vừa qua vào việc hoàn thành đồ án thiết kế này.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BI

Họ và tên sinh viên: Lê Thanh Hải

Lớp: CNTP44

Ngành: Công nghệ Thực Phẩm

1/ Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều.

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng.

Cô đặc dung dịch HCl

2/ Các số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 9

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

- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng) 30

- Ap suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,2

3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Đặt vấn đề

- Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết kế.

- Chương II:Tính toán công nghệ thiết bị chính.

- Chương III:Tính và chọn thiết bị phụ: Thiết bị Baromet, bơm chân không, bơm dung dịch, thiết bị gia nhiệt.

- Chương IV: Kết luận.

- Tài liệu tham khảo

4/ Các bản vễ và đồ thị (ghi rõ các loại bản và kích thước các loại bản vẽ):

- 1 bản vẽ hệ thống thiết bị chính, khổ A1 và A3 đính kèm trong bản thuyết minh.

- 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1.

5/ Giáo viên hướng dẫn:

Phần: toàn bộ Họ và tên giáo viên: Nguyễn Văn Toản

Thông qua bộ môn

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm 2013 (Ký, ghi rõ họ tên)

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN

(Ký, ghi rõ họ tên)

TS Nguyễn Văn Toản

ĐẶT VẤN ĐÊ

Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng

Do đó ngành công nghiệp hóa chất cơ bản cũng phát triển không ngừng, nhu cầu

về sản phẩm ngày càng phong phú Trên cơ sở đó, quy trình sản xuất luôn đượccải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn Vấn đề đặt ra là việc sử dụnghiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất

Để sản xuất HCL dạng dung dịch có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều nănglượng cho quá trình cô đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch) Việc tiếtkiệm năng lượng cho quá trình này được quan tâm hàng đầu Với mục tiêu đó,

đồ án này thực hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch HCL ba nồi xuôi chiều

Vì vậy, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dâychuyền thiệt bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấpbách Trong đó, nghiên cứu cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọngkhông kém trong hệ thống sản xuất

Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và côngnghệ, ngành công nghiệp nước ta đang phải đối đầu với những thách thức to lớn.Việc đào tạo nguồn nhân lực trẻ có đức có tài ngày càng trở thành một vấn đềhết sức quan trọng và không thể thiếu Để trở thành một người kỹ sư, việc giảicác bài toán công nghệ hay việc thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị vàdây chuyền công nghệ là một việc rất cần thiết và tất yếu Ý thức được tầm quantrọng và vai trò của mình trong tương lai, em đã vận dụng những kiến thức màmình đã được học trong suốt các năm học vừa qua vào việc hoàn thành đồ ánthiết kế này

PHẦN I Chương 1: TỔNG QUAN SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIÊU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1.1 Tổng quan về sản phẩm

Axít clohiđric hay axít muriatic là một axít vô cơ mạnh, do sự hòa tan củakhí hiđrô clorua (HCl) trong nước.Axít clohiđric đậm đặc nhất có nồng độ tối đa

là 40% Ở dạng đậm đặc axít này có thể tạo thành các sương mù axít, chúng đều

có khả năng ăn mòn các mô con người, gây tổn thương cơ quan hô hấp, mắt, da

và ruột Ở dạng loãng, nó cũng được sử dụng làm chất vệ sinh, lau chùi nhà cửa,sản xuất gelatin và các phụ gia thực phẩm,tẩy gỉ và xử lý da

1.1.1 Tính chất vật lý

Công thức phân tử HCL

Khối lượng phân tử 36.5

Dạng thường gặp Chất lỏng trong suốt đến vàng nhạt

Tỷ trọng 1,18 g/cm3 (đa giá trị, đây là tỷ trọng của dung dịch

36-38%)Điểm nóng chảy –27,32 °C (247 K) dung dịch 38%

dung dịch 38%

Độ hòa tan trong nước Tan giới hạn

Độ hòa tan Tan trong ðimêtyl ête, êtanol, mêtanol

Ngoài ra, trong một số phản ứng HCl còn thể hiện tính khử bằng cách khử

một số hợp chất như KMnO4(đặc), MnO2, KClO3 giải phóng khí clo

Phản ứng diễn ra trong buồng đốt được cung cấp khí clo và hyđro ở nhiệt

độ trên 2000°C có mặt ngọn lửa Để đảm bảo rằng phản ứng diễn ra hoàn toàn,người ta cung cấp lượng hyđro cao hơn clo một chút (1-2%) để không còn clotrong sản phẩm Hỗn hợp của hyđro và clo có khả năng gây nổ do đó cần nhữngthiết bị đặc biệt có khả năng chịu nhiệt cao, và một điểm không thuận lợi là cácchất phản ứng có chi phí cao

• Phản ứng với clorua kim loại

Phản ứng với clorua kim loại, đặc biệt là natri clorua (NaCl), với axítsulfuric

H2SO4) hoặc hydro sulfat:Quá trình này được sử dụng chủ yếu trong thế kỷ 18hay còn gọi là quy trình Leblanc dùng trong sản xuất natri cacbonat Phản ứngdiễn ra gồm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 ở nhiệt độ khoảng 150-250°C, và giai đoạn

Chiều cân bằng phản ứng diễn ra theo hướng tạo khí HCl vì khí này đượclấy ra liên tục Phương pháp cho phép tạo ra các sản phẩm tinh khiết, thườngđược dùng trong phòng thí nghiệm Phương pháp này không được dùng trongsản xuất thương mại vì axít sulfuric đắt hơn axít clohiđric.

• Sản phẩm clo hóa trong sản xuất chất hữu cơ

1.1.4 Ứng dụng

Axít HCl được sử dụng phổ biến trong phòng thí nghiệm

Axít clohiđric là một axít mạnh được sử dụng trong nhiều ngành côngnghiệp Ứng dụng thường để xác định chất lượng sản phẩm theo yêu cầu

• Tẩy gỉ thép

Một trong những ứng dụng quan trọng của axít clohiđric là dùng để loại

bỏ gỉ trên thép, đó là các oxit sắt, trước khi thép được đưa vào sử dụng vớinhững mục đích khác như cán, mạ ðiện và những kỹ thuật khác HCl dùng trong

kỹ thuật có nồng độ 18% là phổ biến, được dùng làm chất tẩy gỉ của các loạithép cacbon

Fe2O3 + Fe + 6 HCl → 3 FeCl2 + 3 H2O

Axít đã qua sử dụng được tái dùng nhiều lần gọi là các dung dịch sắt (II) clorua,nhưng mức độ các kim loại nặng cao trong dung dịch tẩy này làm giảm hiệu quảcủa phản ứng

Công nghiệp tẩy thép đã phát triển các công nghệ "tái chế axít clohiđric",như công nghệ lò phun hoặc công nghệ tái sinh HCl tầng sôi, quá trình này chophép thu hồi HCl từ chất lỏng đã tẩy rửa Công nghệ tái chế phổ biến hất là

pyrohydrolysis, thực hiện theo phản ứng sau:

4 FeCl2 + 4 H2O + O2 → 8 HCl+ 2 Fe2O3

Bằng cách hồi phục đặc tính của axít đã qua sử dụng, người ta thực hiệntheo một chu trình axít khép kín Sản phẩm phụ trong quá trình tái chế là sắt (III)ôxít được thu hồi và sử dụng vào nhiều mục đích trong công nghiệp

• Sản xuất các hợp chất hữu cơ

Một ứng dụng quan trọng khác của axít clohiđric là được dùng để sảnxuất các hợp chất hữu cõ như vinyl clorua và dicloroetan để sản xuất PVC Quátrình này sử dụng các axít do doanh nghiệp sản xuất chứ không từ thị trường tự

do Các hợp chất hữu cơ khác được sản xuất từ HCl như bisphenol A sản xuất

polycacbonat, than hoạt tính, và axít ascobic, cũng như trong một số sản phẩmcủa ngành dýợc:

2 CH2=CH2 + 4 HCl + O2 → 2 ClCH2CH2Cl + 2 H2O

gỗ + HCl + nhiệt → than hoạt tính

• Sản xuất các hợp chất vô cơ

Nhiều sản phẩm có thể được sản xuất từ axít clohiđric theo phản ứng bazơ tạo ra các hợp chất vô cơ Chúng bao gồm các hóa chất xử lý nước như sắt(III) clorua và polyaluminium clorua (PAC)

axít-Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3 H2O (sắt (III) clorua từ magnetit)

Cả sắt (III) clorua và PAC đều được sử dụng làm chất keo tụ và chất đông

tụ để làm lắng các thành phần trong quá trình xử lý nước thải, sản xuất nướcuống, và sản xuất giấy

Các hợp chất vô cơ khác được sản xuất dùng HCl như muối canxi clorua,

niken (II) clorua dùng cho việc mạ điện và kẽm clorua cho công nghiệp mạ vàsản xuất pin

CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O (canxi clorua từ đá vôi)

Ớ Kiểm soát và trung hòa pH

Axắt clohiđric có thể được dùng để điều chỉnh tắnh bazơ của dung dịch

Ớ Tái sinh bằng cách trao đổi ion

Axắt HCl chất lượng cao được dùng để tái sinh các nhựa trao đổi ion Traođổi cation được sử dụng rộng rãi để loại các ion như Na+ và Ca2+ từ các dungdịch chứa nước, tạo ra nước khử khoáng Axắt này được dùng để rửa các cation

để bơm vào trong tầng đá của giếng dầu nhằm hòa tan một phần đá hay còn gọi

là "rửa giếng", và tạo các lỗ rỗng lớn hơn Axắt hóa giếng khoan là một quá trìnhphổ biến được sử dụng trong công nghiệp khai thác dầu biển Bắc Khi trộn dungdịch axắt clohiđric đậm đặc và dung dịch axắt nitric đậm đặc theo tỉ lệ mol 1:3thì nó có khả năng hòa tan vàng và bạch kim, (xem nýớc cýờng toan)

Một số phản ứng hóa học liên quan đến axắt HCl được ứng dung trong sản xuấtthực phẩm, các thành phần thực phẩm và phụ gia thực phẩm Các sản phẩm đặc

trưng như aspartame, fructose, axít citric, lysine, thủy phân protein thực vật, vàtrong sản xuất gelatin Axít HCl cấp thực phẩm (loại an toàn cho con người khi

sử dụng) có thể được ứng dụng khi cần thiết trong sản phẩm cuối cùng

1.2 Lý thuyết cơ bản của quá trình

1.2.1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trongdung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn haylỏng- lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách táchmột phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) Đó là các quá trình vật lý - hóa lý

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

− Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sangtrạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suấttác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

− Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử

sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăngnồng độ chất tan

1.2.3 Ứng dụng của sự cô đặc

- Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, nước trái cây…

- Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…

1.2.4 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất thực phẩm đều sử dụngthiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn.Mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồntại của nhà máy Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn vàhiệu suất cao

1.2.5 Các thiết bị cô đặc nhiệt

1.2.5.1 Phân loại và ứng dụng

* Theo cấu tạo

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên, dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ

nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn tronghoặc ngoài

- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, có ưu điểm: tăng cường hệ số

truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinhtrên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc

nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôitạo bọt khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi íttạo bọt và bọt dễ vỡ

* Theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạtnăng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dungdịch đạt được là không cao

- Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suấtchân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

- Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nênlớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lựchay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đíchkhác để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điềukhiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

1.2.5.2 Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi xuôi chiều liên tục

- Trong thực tế sản xuất khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãnglên nồng độ khá đặc thì người ta hay dùng các hệ cô đặc nhiều nồi xuôi chiềuhay ngược chiều

- Hệ xuôi chiều thích hợp cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính vìnhiệt độ cao Hệ ngược chiều thích hợp cô đặc các dung dịch vô cơ không bịbiến tính vì nhiệt độ cao

- Dùng hệ thống cô đặc chân không nhằm hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch

để giữ được chất lượng sản phẩm và thành phần quý

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh qui trình công nghệ

1.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Tập đồ án này thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều, buồng đốt ngoàikiểu đứng, cô đặc dung dịch Hcl có nồng độ đầu là 12% đến nồng độ cuối 32%.Năng suất tính theo dung dịch đầu là 9 tấn/giờ

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Dung dịch ban đầu trong thùng chứa (13) được bơm (11) bơm lên thùngcao vị (1) qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vàothiết bị gia nhiệt sơ bộ (2) Tại thiết bị (2) dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độsôi rồi đi vào nồi 1 Tại nồi 1 dung dịch đường bốc hơi một phần tại buồng bốc(5), hơi thứ của nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2 Hơi thứ của nồi 2 làm hơi đốt chonồi 3 Hơi thứ của nồi 3 được đưa vào thiết bị Baromet (14) tạo chân không chotoàn bộ hệ thống Dung dich sau khi cô đặc ở nồi 1 được dẫn ra cửa để đi vàonồi 2, rồi sản phẩm của nồi 2 sẽ tiếp tục đi vào nồi 3, khi đạt đến nồng độ yêucầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm (12)

Chương 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BI CHÍNH

2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Số liệu ban đầu :

- Năng suất tính theo dung dịch đầu : 9 (Tấn/giờ)

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

- Nồng độ cuối của dung dịch : 32 (% khối lượng)

- Áp suất hơi đốt nồi 1 : 3,2 (at)

- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng : 0,2 (at)

2.1.1 Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống

- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn bộ hệ thống:

2.1.2 Xác định nồng độ cuối mỗi nồi

2.2 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

2.2.1 Xác định áp suất trong mỗi nồi

Gọi P1, P2, P3, Pnt: là áp suất của nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

∆P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2

∆P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với nồi 3

∆P3: hiệu số áp suất của nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ

∆P: hiệu số áp suất của toàn hệ thống

Giả sử rằng hơi đốt dùng để bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hoà

∆P1 = P1 – P2 ⇒P2 = P1 -∆P1 = 3,2 – 1,567 = 1,633 (at).

∆P2 = P2 – P3 ⇒P3 = P2 -∆P2 = 1,633– 0,868 = 0,765 (at)

2.2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi

Gọi thđ1, thđ2, thđ3, tnt: là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2, tht3: là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2,3

Giả sử tổn thất nhiệt do trở lực trên đường ống gây ra khi chuyển từ nồinày sang nồi khác là 10C

Bảng 2.1 Áp suất, nhiệt độ hơi đốt, hơi thứ mỗi nồi

P (at) t (°C) P (at) t (°C) P (at) t (°C) P (at) t (°C)Hơi đốt 3,2 134,9 1,633 113,299 0,765 91,715 0,2 59,7Hơi thứ 1,687 114,299 0,795 92,715 0,21 60,7

2.2.3 Xác định tổn thất nhiệt độ

2.2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆ ')

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của

dung môi nguyên chất Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môinguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra

Ta có: ∆ ' = to

sdd - to sdmnc (ở cùng áp suất)

∆

Trong đó:

Ts: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất , oK

∆ 'o: tổn thất nhiệt độ do áp suất thường (áp suất khí quyển) gây ra

r : nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc, J/kg

Tra bảng VI.2,STQTTB,T2/Trang 63

Bảng 2.3 Nhiệt hóa hơi của các nồi

Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2222,644.103 2278,415.103 2355,719.103

* Với nồi 1:

1

2 1

1 1

273

2 , 16 ' '

2 2

273

2 , 16 ' '

3 3

273

2 , 16 ' '

2355,719.10

+

⇒ ∑∆’ = ∆’1 + ∆’2 + ∆’3 = 1,838 + 3,180 + 5,514 = 10,532 (oC)

2.2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (∆ '')

Áp suất dung dịch thay đổi theo chiều sâu của lớp dung dịch: Ở trên bềmặt thì bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi,còn ở đáy ống thì bằng áp suất trênmặt cộng với áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống Trong tínhtoán, ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch:

Ptb= Po+ (h1+

2 2

h

)ρdds.g , N/m2

Hay Ptb= Po+ (h1+

2 2

Po: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2

h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyềnnhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m (chọn h1=0,5m cho cả 3 nồi)

h2: chiều cao ống truyền nhiệt, m Chọn h2= 4m cho cả 3 nồi

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

⇒ttb1 = 116,525 (0C) ( Tra bảng I.251 STQTTB,T1/Trang 314)

⇒ttb2 = 96,909 (0C) ( Tra bảng I.251 STQTTB,T1/Trang 314)

⇒ttb3 = 71,932 (0C) ( Tra bảng I.251 STQTTB,T1/Trang 314)

2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng

2.2.4.1 Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)

Trong đó ; x: nồng độ dung dịch, % khối lượng

-Nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu: x = 8 %

I:nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

i:nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)

(Tra bảng I.249 STQTTB,T1/Trang 310, bảng I.250 STQTTB,T1/Trang 312)

Bảng 2.4 Nhiệt dung riêng, nhiệt lượng riêng của hơi đốt, hơi thứ các nồi

i.10 -3

(J/kg)

C (J/kg.độ)

2.2.4.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gọi D1: là lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/h)

I1, I2, I3: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg)

Gđ, Gc: lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)

W1,W2 :lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1 và nồi 2 (kg/h)

Cđ, C1, C2, C3: nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3của dung dịch (J/kg độ)

tđ, ts1, ts2, ts3: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 của dungdịch (0C)

W1, W2, W3: lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h)

i1, i2, i3: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg)

Cn1, Cn2, Cn3:nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3(J/kg.độ)

θ 1 , θ 2 , θ 3: nhiệt độ của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (0C)

Qtt1, Qtt2, Qtt3: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1, nồi 2 và

nồi 3 (J)

Nhiệt lượng vào:

Nồi 1:

+ Do hơi đốt mang vào: D1.I1

+ Do dung dịch mang vào: Gđ.Cđ.tđ

Nồi 2:

+ Do hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1.i1

+ Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ – W1).C1.ts1

Nồi 3:

+ Do hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2): W2.i2

+ Do dung dịch ở nồi 2 mang vào: (Gđ – W1 – W2).C2.ts2

Nhiệt lượng ra:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

W1(2609,588.103 – 3525,592.96,910) + W2(0,95.2666,886.103 –0,95.4210,743.91,715 – 3525,592.96,524 + 2609,588.103) = 9000.(3353,488.71,932 – 3525,592.96,910) + 6600.(2609,588.103 – 3353,488.71,932)

95 , 0

) (

1 1 1

1 1 1 1

1 đ I C nθ đ đ đ

t C G t C W G i

Xác định các thông số cơ bản của dung dịch có ảnh hưởng đến bề mặttruyền nhiệt

3 2

0,57.10

0, 45.10

µ µ

3 2

0.64.10

0.50.10

µ µ

3 2

0,577.10

0, 455.10

µ µ

3 2

0,57.10

0, 45.10

µ µ

3 2

0.64.10

0.50.10

µ µ

3 2

0,648.10

0,505.10

µ µ

3 1

10 64 0

10 75 0

3 1

10 74 0

10 87 0

3 2

1,10.10

0,9410

µ µ

.

M C

A p

dd

ρ ρ

λ = (W/m.độ) (Công thức I.32 STQTTB T1/Trang 123)

Với A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước

Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ)

ρ : khối lượng riêng (kg/m3)

M: khối lượng mol của chất lỏng

Chọn A = 3,58.10-8

Ta có : M = mi.Mdd+(1-mi).Mnước

Trong đó mi là phần mol của cấu tử

Công thức chuyển nồng độ phần khối lượng cấu tử bất kỳ trong 1 phasang phần mol

O H

i đ

i dd i

i

M M

M m

2

x 1 x

x

− +

=

Vậy

*Nồi 1: x1 = 10,502 %

Cp2 = 3525,592 (J/kg.độ)

ρ1 = 1037,217(kg/m3) (Tra bảng I.86 STQTTB T1/Trang 59)

m2 =

0,1554 36,5 0,1554 1 0,1554 36,5 18

Cp3 = 3353,488 (J/kg.độ)

Ρ3 = 1103 (kg/m3) (Tra bảng I.86 STQTTB T1/Trang 59)

m3 =

0,30 36,5 0,30 1 0,30 36,5 18

Bảng 2.5

.

r A

∆

=

Với r : ẩn nhiệt ngưng (J/kg)

H : chiều cao ống truyền nhiệt (chọn H = 4m)

3

2 4

11

2

11 11 11

2165,280.10 2,04.192,199 9175, 423( / )

4.1,805 9175, 423.1,805 16561,638( / )

W mđô

α α

2 4

12

2

12 12 12

2225, 423.10 2,04.184,669 9455, 298( / )

4.1, 402 9455, 298.1, 402 13256,328( / )

W mđô

α α

2.3.3.2 Về phía dung dịch sôi (α 2)

565 , 0

2

2 2

d n

d n

ρ λ

λ ϕ

α n= 0,145 ∆t2 2,33. p0,5 , (W/m2.độ) (CT V.91 STQTTB T2/Trang 26)Trong đó:

dd dd dd

dd ρ C µ

λ , , , lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dungriêng và độ nhớt của dung dịch

n n n

13

2

13 13 13

2280,885.10 2,04.176,594 8629,389( / )

4.1, 732 8629,389.1,732 14946,102( / )

W mđô

α α

Trong đó : r1: nhiệt trở do lớp nước ngưng

r2: nhiệt trở do lớp cặn của dung dịch bám trên thành ống δ: bề dày ống truyền nhiệt (δ = 2mm)

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiêt

r3: nhiệt trở qua lớp vật liệu

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3 có λ = 50W/m.độ (Tra bảng XII.7, STQTTB T2/Trang 313)

0.510 1012, 274 3739, 432 0, 245.10

0.685 945,845 4244,093 0, 233.10

(J/kg.độ)

µ(N.s/m2)

2.3.4 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi (∆t hi )

Xem hệ số truyền nhiệt trong các nồi là như nhau: F1 = F2 , khi đó nhiệt độhữu ích trong các nồi được tính:

Qi : lượng nhiệt cung cấp

Qi =

3600

.i

i r D

(W/m2)

Di : lượng hơi đốt mỗi nồi

ri : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi

Ki : hệ số truyền nhiệt

2 1

1 1

2 1

1

3

Q K

Q K

Nhiệt độ hữu ích của từng nồi là:

Vậy thực tế bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là:

- Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác: b= 19 ống.

2.4.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt

2.4.2.2 Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi được xác định:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)

W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (kg/h)

h

ρ : là khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m3)

Utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơitrong một đơn vị thời gian (m3/m3 .h)

Theo CT VI.33 STQTTB T2/Trang 72:

Utt=f.utt(1at) khi P≠ 1at

Với utt(1at) : cường độ bốc hơi cho phép ở P =1 at

t

kgh kgh

D

V H

π

= ( CT VI.34 STQTTB T2/Trang 72)

*Nồi 1: Pht1 = 1,687 (at)

tht1 = 114,299 (oC)

⇒ρdd1 = 0,944 (kg/m3) (Tra bảng I.250 STQTTB T1/Trang 312)

Tra đồ thị, ta được f = 0,91 (VI.3 STQTTB T2/Trang72)

Vậy : Utt = 0,91.1600 = 1456 (m3/m3h)

1

1 ht1 tt

W 2144,134 U 0,944.1456

*Nồi 2: Pht2 = 0,728 (at)

tht2 = 92,715 (oC)

⇒ρdd2 = 0,467 (kg/m3) (Tra bảng I.250 STQTTB T1/Trang 312)

Tra đồ thị, ta được f = 1,06 (VI.3 STQTTB T2/Trang72)

Vậy : Utt = 1,06.1600 = 1696 (m3/m3h)

2

2 ht2 tt

W 2224,448 U 0, 467.1696

*Nồi 3: Pht3 = 0,210 (at)

tht3 = 60,7 (oC)

⇒ρdd3 = 0,134 (kg/m3) (Tra bảng I.250 STQTTB T1/Trang 312)

Tra đồ thị, ta được f = 1,56 (VI.3 STQTTB T2/Trang72)

Vậy : Utt = 1,56.1600 = 2496 (m3/m3h)

3

3 ht3 tt

W 2231,418 U 0,134.2496

Chọn chiều cao của phần dịch sôi tràn lên phần buồng bốc là 0,44 (m) Vậy chọn chiều cao buồng bốc cho cả 3 nồi là 3 (m).

Giả sử dung dịch ban đầu có nhiệt độ t = 20(oC) và xđ =5%

ρ= 1038 (kg/m3) (Tra bảng I.12 STQTTB T1/Trang 17)

Chọn d = 70 mm, dn = 76 mm (Tra bảng XIII.26 STQTTB T2/Trang 409)

• Từ thiết bị gia nhiệt vào nồi 1

Chọn d = 70 mm, dn = 76 mm (Tra bảng XIII.26 STQTTB T2/Trang 409)

• Từ nồi 1 vào nồi 2

Ta có: G -W đ 1 9000-2144,134

W

Dung dịch ra khỏi nồi 1 có x1 = 10,502 % và ở nhiệt độ là 116,524 (oC)

ρ= 1001,918 (kg/m3) (Tra bảng I.12 STQTTB T1/Trang 17)

Chọn d = 50 mm, dn = 57 mm (Tra bảng XIII.26 STQTTB T2/Trang 409)

• Từ nồi 2 vào nồi 3

Dung dịch ra khỏi nồi 2 có x2 = 15,545 % và ở nhiệt độ là 96,910 (oC)

ρ= 1042,161 (kg/m3) (Tra bảng I.12 STQTTB T1/Trang 17)