Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch Na2CO3 hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm + cad

Trong xu thế hội nhập kinh tế của đất nước ta đang trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa, thúc đẩy ngành công nghiệp ngày càng phát triển. Trong đó, điển hình là ngành công nghiệp hóa chất, giữ vai trò quan trọng đối với nền công nghiệp hiện nay và sau này. Đời sống con người ngày càng được cải thiện, chính vì vậy mà nhu cầu của con người ngày càng cao, nên rất nhiều hóa chất được sản xuất nhằm để phục vụ lợi ích đó, điển hình ở đây là Na2CO3. Ở quy trình sản xuất Na2CO3 ở quy mô công nghiệp, có rất nhiều công đoạn, trong đó quá trình cô đặc là một công đoạn hết sức quan trọng. Nó giúp đưa dung dịch Na2CO3 đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu và dễ dàng vận chuyển. Quá trình cô đặc có thể diễn trong hệ thống cô đặc một nồi hay nhiều nồi, với cấu tạo buồng đốt đứng, nằm ngang hay nằm nghiêng, làm việc liên tục hay gián đoạn. Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, đồ án thiết bị là một học phần không thể thiếu. Nó giúp cho sinh viên củng cố và hiểu rõ hơn các kiến thức về các môn học cơ sở ngành, vừa giúp cho sinh viên quen dần với lựa chọn, tính toán, thiết kế thiết bị với các số liệu cụ thể, có kinh nghiệm hơn về việc thiết kế, hiểu rõ được các thiết bị từ đó. Đề tài mà tôi thực hiện là : “ Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch Na2CO3 hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm ”. Tuy nhiên, đây là một học phần khó và tiếp xúc thực tế thì rất ít nên trong quá trình thực hiện đồ án thiết bị có nhiều thiếu sót, rất mong được sự giúp đỡ từ quý thầy cô và các anh chị khóa trước để có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao.

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 2

Chương I : TỔNG QUAN 3

1.1 Đặc điểm, tính chất của Na2CO3 3

1.1.1 Đặc điểm 3

1.1.2 Tính chất của Na2CO3 3

1.2 Tổng quan về quá trình cô đặc 3

1.2.1 Định nghĩa 3

1.2.2Các phương pháp cô đặc 4

1.2.2.1 Phương pháp nhiệt (đun nóng) 4

1.2.2.2 Phương pháp lạnh: 4

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: 4

1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc: 4

1.3.Các thiết bị cô đặc nhiệt 4

1.3.1 Phân loại và ứng dụng: 4

1.3.1.1 Theo cấu tạo: 4

1.3.1.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình: 5

1.3.2 lựa chọn thiết bị cô đặc 5

1.4 cấu tạo thiết bị và thuyết minh quy trình công nghệ 6

1.4.1 Cấu tạo và hoạt động của nồi cô đặc 6

1.4.2.thuyết minh quy trình công nghệ 6

Chương II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 7

2.1 Cân bằng vật liệu 7

2.1.1 Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 7

2.1.2 Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi: 7

2.2 Cân bằng nhiệt lượng 8

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi 8

2.2.2 Xác định tổn thất nhiệt độ 9

2.2.2.1.Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (’) 9

2.2.2.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ”) 10

2.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do trở thủy lực trên đường ống (Δ”’ ) 12

2.2.2.4 Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc 13

2.2.2.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống 13

2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng 13

2.2.3.1.Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi 13

2.2.3.2 Nhiệt lượng riêng 14

2.2.3.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 14

2.2.3.4 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi 15

2.3 tính bề mặt truyền nhiệt 16

2.3.1 Độ nhớt: 16

2.3.2 Hệ số truyền nhiệt của dung dịch: 17

2.3.3 Hệ số cấp nhiệt (α ) 18

2.3.3.1 Về phía hơi ngưng tụ (α1 ) 18

2.3.3.2.Về phía dung dịch sôi 19

2.3.3.3 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi 22

CHƯƠNG 3: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 25

3.1 Buồng đốt 25

3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 25

3.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt 25

3.1.3 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm 25

3.1.4 Bề dày buồng đốt 25

3.1.5 Bề dày đáy buồng đốt 28

3.2 Buồng bốc 31

3.2.1 Đường kính buồng bốc 31

3.2.2 Chiều cao buồng bốc 31

3.2.3 Bề dày buồng bốc 32

3.3 Tính kích thước các ống dẫn 36

3.3.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt 36

3.3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứ 37

3.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch đầu vào thiết bị gia nhiệt 38

3.3.4 Đường kính ống dẫn dung dịch từ nồi gia nhiệt sang nồi 1 38

3.3.5 Đường kính ống dẫn dung dịch từ nồi 1 sang nồi 2 38

3.3.6 Đường kính ống dẫn dung dịch từ nồi 2 sang bể chứa sản phẩm 39

3.3.7 Đường kính ống tháo nước ngưng 39

3.4 Bề dày vỉ ống 40

3.5 Bề dày lớp cách nhiệt 40

3.5.1 Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn 41

3.5.1.1.Ống dẫn hơi đốt 41

3.5.1.2 Ống dẫn hơi thứ 42

3.5.1.3 Ống dẫn dung dịch 42

3.5.2 Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 43

3.6 Chọn mặt bích 43

3.6.1 Buồng đốt 44

3.6.2 Buồng bốc 44

3.7 Chọn tai treo 46

3.7.1 Khối lượng thân thiết bị 46

3.7.2 Khối lượng đáy buồng đốt 47

3.7.3 Khối lượng nắp buồng bốc 47

3.7.4 Khối lượng lớp cách nhiệt 47

3.7.5 Khối lượng cột chất lỏng 48

3.7.6 Khối lượng bích 48

3.7.7 Khối lượng cột hơi 48

3.7.8 Khối lượng ống truyền nhiệt 49

PHẦN 4: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 51

4.1 Cân bằng nhiệt lượng 51

4.1.1 Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ 51

4.1.2 Thể tích khí không ngưng và không khí được hút khỏi thiết bị 51

4.2 Kích thước thiết bị ngưng tụ 52

4.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ 52

4.2.2 Kích thước tấm ngăn 53

4.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 54

4.2.4 Tính kích thước ống Baromet 55

4.3 Chọn bơm 58

4.3.1 Bơm chân không 58

4.3.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 59

4.3.3 Bơm dung dịch lên thùng cao vị 62

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ Cộng hòa Xã hội Chủ nghĩa Việt Nam KHOA CƠ KHÍ - CÔNG NGHỆ Độc lập _Tự do _ Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên : Ngô Thị Thùy Trang

Lớp : CNTP46B

Ngành học : Công nghệ thực phẩm

có ống tuần hoàn trung tâm.

2 Số liệu ban đầu:

 Năng suất: 12550 kg/h

 Dung dịch cô đặc:Na2CO3

 Nồng độ nguyên liệu ban đầu: 11%

 Sơ đồ công nghệ: A1, A3

 Bản vẽ chi tiết thiết bị (hay cụm thiết bị và mặt cắt)

5 Ngày giao nhiệm vụ

6 Ngày hoàn thành

Huế, ngày… tháng… năm 2013

Bộ môn Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Ở quy trình sản xuất Na2CO3 ở quy mô công nghiệp, có rất nhiều côngđoạn, trong đó quá trình cô đặc là một công đoạn hết sức quan trọng Nó giúpđưa dung dịch Na2CO3 đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu và dễ dàng vậnchuyển Quá trình cô đặc có thể diễn trong hệ thống cô đặc một nồi hay nhiềunồi, với cấu tạo buồng đốt đứng, nằm ngang hay nằm nghiêng, làm việc liên tụchay gián đoạn.

Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, đồ án thiết bị là mộthọc phần không thể thiếu Nó giúp cho sinh viên củng cố và hiểu rõ hơn cáckiến thức về các môn học cơ sở ngành, vừa giúp cho sinh viên quen dần với lựachọn, tính toán, thiết kế thiết bị với các số liệu cụ thể, có kinh nghiệm hơn vềviệc thiết kế, hiểu rõ được các thiết bị từ đó Đề tài mà tôi thực hiện là : “ Thiết

kế hệ thống cô đặc dung dịch Na2CO3 hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trungtâm ” Tuy nhiên, đây là một học phần khó và tiếp xúc thực tế thì rất ít nên trongquá trình thực hiện đồ án thiết bị có nhiều thiếu sót, rất mong được sự giúp đỡ từquý thầy cô và các anh chị khóa trước để có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ đượcgiao

1.1.2 Tính chất của Na 2 CO 3

Tính chất vật lý

 Bột màu trắng, mùi nồng, để ra ngoài không khí dễ chảy nước

 Nhiệt độ nóng chảy : 851°C( khan)

 Nhiệt độ sôi : 1.600°C( khan)

 Độ hòa tan trong nước: 22g/100ml(20°C)

Tính chất hóa học

 Tác dụng với axít tạo thành muối, nước và giải phóng khí CO2:

Na2CO3 + 2HCl => 2NaCl+ H2O+ CO2

 Tác dụng với bazơ tạo thành muối mới và bazơ mới:

Na2CO3 + Ca(OH)2 => 2NaOH+ CaCO3

 Tác dụng với muối tạo thành muối mới:

Na2CO3 + CaCl2 => 2NaCl + CaCO3

 Không bị nhiệt phân hủy ở nhiệt độ cao [2]

1.2 Tổng quan về quá trình cô đặc

1.2.1 Định nghĩa

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứachất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan.

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất [6]

1.2.2.Các phương pháp cô đặc

1.2.2.1 Phương pháp nhiệt (đun nóng)

Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn dưới tác dụng củanhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

1.2.2.2 Phương pháp lạnh:

Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinhthể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùytính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh

đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.[3]

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của cácphân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽthu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó,

ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này Bêncạnh đó sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấpnhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên

bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.[3]

1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc:

Quá trình cô đặc được ứng dụng: trong sản xuất thực phẩm: cô đặc cácdung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây, sữa…; Trong sản xuấthóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…Hiện nay, phần lớn các nhàmáy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bịhữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù chỉ là một hoạt độnggián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy nên việc cảithiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Đòi hỏi phải có những thiết bịhiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.[3]

1.3.Các thiết bị cô đặc nhiệt

1.3.1 Phân loại

1.3.1.1 Theo cấu tạo:

- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặcdung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặttruyền nhiệt Gồm:

+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàntrong hoặc ngoài.

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

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức, Có ưu điểm: tăng cường hệ sốtruyền 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 xúcnhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thựcphẩm như dung dịch nước trái cây, hoa quả ép…, gồm:

+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịchsôi tạo bọt khó vỡ

+ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi

ít tạo bọt và bọt dễ vỡ [3]

1.3.1.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình:

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suấtchân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặchay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

- Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bịphân hủy vì nhiệt

- Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không

bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứcho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

- Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải

ra ngoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.[3]

1.3.2 Lựa chọn thiết bị cô đặc

Dựa theo tính chất nêu trên của nguyên liệu và yêu cầu đã cho của đồ án,

ta chọn hệ hống cô đặc hai nồi, làm việc liên tục, áp suất chân không, có buồngđốt trong và ống tuần hoàn trung tâm

- Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, cô đặc ở áp suấtchân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch nên giảm được chi phí nănglượng, hạn chế chất tan bị cuốn theo và bị bám vào thành thiết bị làm hư thiết bị

- Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn nhỏ, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh,

dễ xảy ra hiện tượng đóng cặn( tạo lớp cao) dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm từnồi đầu đến nồi cuối[3]

1.4 cấu tạo thiết bị và thuyết minh quy trình công nghệ

1.4.1 Cấu tạo và hoạt động của nồi cô đặc

Nồi cô đặc ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo gồm buồng đốt, buồng bốc và

bộ phận thu hồi cấu tử Trong đó:

- Buồng đốt ở dưới bao gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàntrung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt ngoài ống Nguyên tắc hoạt độngcủa ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn đườngkính ống truyền nhiệt nên hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽ sôi ít hơn so vớidung dịch trong ống truyền nhiệt Khi sôi dung dịch sẽ có khối lượng riêng giảm

do đó tạo ra áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt.Kết quả, tạo nên dòng chuyển động tuần hoàn đối lưu tự nhiên giữa ống truyềnnhiệt và ống tuần hoàn

- Phía trên thiết bị là buồng bốc Đây là một phòng trống, ở đây hơi thứđược tách ra khỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi Bên trong buồng bốccòn có bộ phận thu hồi cấu tử để tách những giọt chất lỏng còn lại do hơi thứmang theo.[4]

1.4.2.thuyết minh quy trình công nghệ.

Nguyên liệu ban đầu là Na2CO3 có nồng độ là 11%, dung dịch được đưa

từ bể chứa nguyên liệu lên thùng cao vị, sau đó chảy qua lưu lượng kế vào thiết

bị trao đổi nhiệt Tại đây, dung dịch sẽ được đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đivào nồi 1.Ở nồi này thực hiện quá trình bốc hơi một phần, đến nồng độ nhấtđịnh thì dung dịch được đưa qua nồi 2, làm nguyên liệu đầu vào của nồi 2 nhờchênh lệch áp suất giữa 2 nồi.Khi nồng độ đạt yêu cầu thì đưa ra khỏi nồi 2 vàđược đưa tới thùng chứa sản phẩm

Hơi thứ của nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2 , hơi thứ của nồi 2 thoát lên thiết

bị ngưng tụ.Trong thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên xuống, hơi thứ ở đâyđược ngưng tụ lại thành chất lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài, còn khíkhông ngưng được bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt

Hơi đốt sau khi cấp nhiệt cho dung dịch sẽ ngưng tụ lại và được tháo ra ở

bộ phận tháo nước ngưng

Ngoài ra, ở các thiết bị gia nhiệt có các hệ thống đưa hơi đốt vào và tháonước ngưng ra.

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

Các số liệu ban đầu:

Năng suất theo dung dịch đầu: Gđ = 12550 (kg/h)

Nồng độ của dung dịch trước khi cô đặc: xđ = 11 %

Nồng độ của dung dịch sau khi cô đặc: xc = 28%

Áp suất hơi đốt: 3,2(at)

Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,3 (at).

2.1 Cân bằng vật liệu

2.1.1 Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống :

Gđ = Gc + W (1)

Trong đó

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

W : là lượng hơi thứ đi ra khỏi hệ thống (kg/h)

Viết cho cấu tử phân bố :

Gđ xđ = Gc xc + W.xw

xđ, xc là nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng)

xem như lượng hơi thứ không bị mất mát,ta có : Gđ xđ = Gc xc (2)

Từ (1) và (2) suy ra, lượng hơi bốc ra của toàn hệ thống được xác định :

Với W1, W2 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2 (kg/h).

Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thườngngười ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp

2.2 Cân bằng nhiệt lượng

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi.

Gọi P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ

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

ΔP2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ

ΔPt: hiệu số áp suất của toàn hệ thống

Giả sử chọn:

Áp suất hơi đốt vào nồi 1 là P1= 3,2at

Áp suất của thiết bị ngưng tụ Baromet là Pnt= 0,3at

Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là:

ΔPt= P1- Pnt=3,2- 0,3= 2,9at

Chọn tỉ số phân phối giữa các nồi là:

1 2

P P

Gọi: thd1, thd2,tnt là nhiệt độ vào nồi 1,2, thiết bị ngưng tụ

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

Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 10C

tht1= thd2+ 1tht2= tnt+ 1Tra bảng : I.250, STQTTB, T1/Trang 312

Nhiệt đột(0C)

Áp suấtP2(at)

Nhiệt đột(0C)

Áp suấtPnt(at)

Nhiệt độtnt(0C)

Ta có: Δ’= tsdd- tdmnc (ở cùng áp suất).

Áp dụng công thức Tiasenco:

Δ’= Δ’0.fVới f= 16,2 \f(T2s,r

Trong đó: Δ’0: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường gây ra

f: hệ số hiệu chỉnh

Ts: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (0K )

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg)

Bảng 2: Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/Trang 64

Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2240,6.103 2333,8.103

∑Δ ’ = Δ’1+Δ’2= 2,11+3,26 = 5,370C

2.2.2.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ”)

Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh Δ” ( tổnthất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao):

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc, theo CTVI.12, STQTTB,T2/60 :

Ptb= P0+( Δh+ h

2 ) ρdds⋅ g

, N/m2;Trong đó :

P0 : áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2)

Δh: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đếnmặt thoáng của dung dịch (m)

h: chiều cao của ống truyền nhiệt(m)

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

g: gia tốc trọng trường (m/s2), g= 9,81 m/s2

Vậy ta có: Δ” = ttb- t0, độ;

Ở đây ttb - nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất Ptb, 0C;

t0: nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất P0, 0C

Áp suất thủy tĩnh của từng nồi:

2 ) .584,8.9,81 9,81.104 ] =

1,486at

Nồi 2: ρdds2=

1299 , 8

2 =613 , 9

Ptb2= P0+ [ ( Δh+ h

2 ) ρdds2g 9,81.104 ] =0,314+ [ ( 0,5+ 4

2 ) .613,9.9,81 9,81.104 ] = 0,476at

Để tính nhiệt độ sôi của dung dịch NaNO3 ứng với Ptb ta dung công thức

BaBo: (P P S)t = K

Với:

P: áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất trên bề mặt dung dịch.Ps: áp suất hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất thường

Tra STQTTB T1 bảng I.204/236 & bảng I.249/311

Nồng độ của dung dịch ở nồi 1: 16,13%; nhiệt độ sôi t0 s = 101,86 0C cũng

ở nhiệt độ đó áp suất hơi bão hòa của nước là: 1,107at

Tra bảng STQTTB T1 bảng I.204/236 & và bảng I.249/311

Nồng độ dung dịch ở nồi 2: 28%; nhiệt độ sôi t0 s = 103,78 0C, cũng ởnhiệt độ đó áp suất hơi nước bão hòa là: 1,183at

⇒ t0s2= 73,39 (Tra STQTTB T1 bảng I.251/314 ).

Δ”2= t0 tb2- t 0 s2= 83,2-73,39= 10,408 0CTổn thất do áp suất thủy tĩnh:

Δ”= Δ”1+ Δ”2= 2,9+10,408= 13,3080C

2.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do trở thủy lực trên đường ống (Δ”’ )

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sangnồi nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 10C

Do đó:

Δ”’1= 10CΔ”’2= 10CΣΔ”’ = Δ”’1+ Δ”’2= 1+1= 20C

2.2.2.4 Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc

ΣΔ= ΣΔ’+ ΣΔ”+ ΣΔ”’= 5,37+13,308+2= 20,6780C

2.2.2.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:

Nồi 1: Δti1= thd1- (thd2+ ΣΔ1) = 134,9 – (106,45+2,11+2,9+1) = 22,440CNồi 2: Δti2 = thd2- (tnt + ΣΔ2) = 106,45 – ( 68,7+3,26+10,408+1)

= 23,0820C

Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:

Nồi 1: Δti1 = thd1- ts1 ⇒ ts1= thd1- Δti1= 134,9- 22,44= 112,460C

Nồi 2: Δti2 = thd2- ts2 ⇒ ts2 = thd2- Δti2 = 106,45- 23,082= 83,3680C

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống:

Δhi= thd1-tnt – ΣΔ= 134,9- 68,7-20,678= 45,5220C

2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng

2.2.3.1.Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

 Nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu:

Vì Xd= 11% < 20% nên ta áp dụng công thức C= 4186.(1-x) (J/kg.độ)(I.43,STQTTB T1/ Trang152)

⇒ Cd= 4186.(1-0,11) = 3725,54 J/kg.độ

 Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1:

Vì X1= 16,13% < 20% nên ta có

C1=4186.(1-x) =4186.(1-0,1613) =3510,79 J/kg.độ

(Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan J/kg.độ)

 Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2:

Vì X2= 28%>20% nên ta áp dụng công thức C= Cnt.X + 4186.(1-x)(J/kg.độ),(I.44,STQT và TB, tập 1/Trang 152)

2.2.3.2 Nhiệt lượng riêng

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

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

Bảng 5: Tra bảng I.249 và I.250, STQTTB T1/ Trang 310 và 31

t(0C) I (J/kg) Cn(J/kg.độ) t(0c) i (J/kg) C(J/kg.độ) ts(0C)

1 134,9 2693,36 4276,29 107,45 2690,19

5 3510,79 112,46

2 106,45 2689,61 4228,4 69,7 2625,77 3180,6 83,368

2.2.3.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gọi :D1, D2: là lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và vào nồi 2 (kg/h)

Gd, Gc: lượng dung dich đầu, cuối (kg/h)

W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)

I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2

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

Cd, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ)

td, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch 0C

θ1, θ2:nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 0C

Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 0C

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

Nồi 1:

- Nhiệt do hơi đốt mang vào: D1I1

- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: Gd.Cd.td

- Nồi 2:

- Nhiệt do hơi đốt mang vào ( hơi thứ nồi 1):W1i1= D2I2

- Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: (Gd – W1).C1.ts1

Nồi 1:

- Hơi thứ mang ra : W1i1

- Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D1(I1- Cng1θ1)

Nồi 2:

- Do hơi nước ngưng tụ: D2Cng2 θ2 = W1.Cn2.θ2

Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2:

W2= W- W1= 7619,64- 3823,62= 3796,02(kg/h)

2.2.3.4 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi

2.3.2 Hệ số truyền nhiệt của dung dịch:

Áp dụng công thức I.32 ST QTTB T1/ Trang 123:

λdd= A Cp ρ √3 M ρ (W/m.độ)

Với:

A:là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước.Cp:nhiêt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, (J/kg độ)

ρ :khối lượng riêng, (kg/m3)

M:là khối lượng mol của chất lỏng

Chọn A = 3,58.10-8

Với r: ẩn nhiệt ngưng ( J/kg).

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

A=

4

√ρ2 λ3

μ : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tmtm= 0,5(tT1+ thd )

Δt1= thd- tT1.

Nồi 1: chọn Δt1= 2,450C

→ tT1= thd1- Δt1= 134,9- 2,45= 132,450C

→ tm1= 134,9+ 132,452 = ¿133,6750C

Tra STQTTB T2/Trang 29 ta có: A1=192,1025

Tra bảng I.250 STQTTB T1/Trang 312

Tra STQTTB T2/Trang 29 ta có: A2= 181,24

Tra bảng I.250 STQTTB T1/ Trang 312

αn: hệ số cấp nhiệt của nước

Mà theo CT VI.27, STQTTB, T2/Trang 71

 dd, dd,C dd, lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệtdddung riêng và độ nhớt của dung dịch.

γ : nhiệt trở của tường

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

δ : bề dày ống truyền nhiệt ( δ =2 mm)

Tra bảng I.249 STQTTB T1/Trang 311

2.3.3.3 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi.

Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi như nhau: F1= F2 nên nhiệt độhữu ích phân bố trong các nồi được tính theo công thức VI.20 STQTTBT2/Trang 68

Trong đó:

Δthi :là nhiệt độ hữu ích trong các nồi (0C )thi :là nhiệt độ hữu ích trong các nồi (0C )

Qi: lượng nhiệt cung cấp (J/s )

Ki: hệ số truyền nhiệt

Ta có:

Q i r i

3600

Trong đó:

Di: là lượng hơi đốt mỗi nồi

ri: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi

Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

Chọn bề mặt truyền nhiệt F= 125 m2

Số ống trên đường xuyên tâm là 19

Số ống trong tất cả các viên phân là 30

Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giácđều thì đường kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức :

h = 4 (m) : Chiều dài của ống truyền nhiệt

Dth = 0,325 (m) : Đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

F = 135 (m2) : Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3

Bề dày thân buồng đốt được xác định theo công thức XIII.8, STQTTB T2/Trang 360

 

2

Trong đó; Dt là đường kính trong của buồng đốt (m)

φ : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, chọn φ= 0,95 (theobảng XIII.8, STQTTB T2/Trang 362)

C: hệ số bổ sung ăn mòn (m)

P: áp suất trong thiết bị (N/m2)

  ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo[ k] và ứng suất giới hạn chảy [ 

c]

Ứng suất kéo theo công thức XIII.1, STQTTB T2/Trang 355 :

[σ k]=σ k

n b .η (N/m2)Với :

η : hệ số hiệu chỉnh, chọn η=0,9 (bảng XIII.2 STQTTB T2/Trang 356)nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền, nb= 2,6

(Bảng XIII.3 STQTTB T2/ trang 356) ( vật liệu hợp kim được cán, rèn dập)

k: giới hạn bền khi kéo,k  380.106 (N/m2) (bảng XII.4 STQTTBT2/trang 309)



6

6 k

380.10 [ ] 0,9 131,54.10

nc=1,5( bảng XIII.3 STQTTB T2/Trang 356)

Η : hệ số hiệu chỉnh, chọn η=0,9 (bảng XIII.2 STQTTB T2/Trang 356)

c: giới hạn bền chảy,  240.10c 6 (N/m2) (bảng XII.4 STQTTB T2/trang 309)



6 c

Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung saicủa chiều dày Đại lượng C được xác định theo công thức XIII.17 STQTTB T2/trang 363.

C= C1+ C2+ C3 (m)Với C1 : đại lượng bổ sung do ăn mòn, C1= 1mm

C2 : đại lượng bổ sung do hao mòn, C2= 0

C3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày ; C3 phụ thuộc vào chiều dàytấm vật liệu, C3 = 0,8 mm

P ở mẫu

Nên S=

1,2.340314 ,786 2.131,54.106.1.0,95+C=1,63.10

−3+C

Chọn Pth= 1,5.PhđVậy P0=1,5.340314,786+4.9,81.672,65 = 5,1.105(N/m2).Ta có:

lượng P ở mẫu.

Nên S=

1,2.155971 ,152 2.131,54.106.0,95+C=0,74.10

3.1.5 Bề dày đáy buồng đốt

Chọn đáy buồng đốt cho cả 2 nồi theo hình nón có gờ, vật liệu là thépCT3, góc ở đáy 600  α= 300 và Rδ/Dt= 0,15

Bề dày đáy nón làm việc với áp suất trong (P>1at) được tính theo công thứcXIII.52 và XIII.53 STQTTB T2/trang 399 :

 

2

φh: là hệ số bền của mối hàn vòng trên nón, tra bảng XIII.8 STQTTB T2/Trang 362 chọn φh= 0,95

d là đường kính lỗ tâm ở đáy d= 0,07 (m)

D’ là đường kính (m) Đối với nón có gờ:

Vậy chọn chiều dày đáy buồng đốt S=6mm

Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.54STQTTB T2/ trang 399

0

Chọn Pth= 1,5.Phđ

lượng P ở mẫu của công thức XIII.57 STQTTB T2/Trang 402

Chọn bề dày đáy buồng đốt bằng 6 mm

Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.58STQTTB T2/ trang 402

Vậy chọn cho cả 2 nồi S= 6mm

3.2 Buồng bốc.

3.2.1 Đường kính buồng bốc

Theo bảng XIII.6, STQTTB,T2/Trang 359 chọn Dt = 1,6 m

3.2.2 Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi theo công thức CT VI.32 STQTTB T2/Trang 71 :

ρh.utt (m3) Trong đó:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3)ρh: là khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m)utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gianhơi trong một đơn vị thời gian (m3/m3.h)

Theo công thức VI.33 STQTTB T2/Trang 72

Utt = f.utt(1at) (khi P ≠ 1at)Với utt(1at): cường độ bốc hơi cho phép ở P= 1at

ρht1= 0,893 kg/m3 ( tra bảng I.250, STQTTB T1/Trang 312)

Dựa vào đồ thị, ta được f= 0,946 (VI.3 STQTTB T2/Trang 72)

Utt= 0,946.1700= 1608,2 (m3/m3.h)

ρht2= 0,196 kg/m3 ( Tra bảng I.250, STQTTB T1/Trang 312).

Dựa vào đồ thị, ta được f= 1,6 (VI.3, STQTTB T2/Trang 72)

Utt = 1,6.1700= 2720 (m3/m3 h)

V kgh 2= W2

ρ ht 2 .u tt=

3796 ,02 0,196 2720=7,12 (m3)