Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi làm việc liên tục xuôi chiều được sử dụng để cô đặc dung dịch CaCl2, từ nồng độ 5% đến nồng độ 30% khối lượng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ. 1.1 Yêu cầu : Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi làm việc liên tục xuôi chiều được sử dụng để cô đặc dung dịch CaCl2, từ nồng độ 5% đến nồng độ 30% khối lượng. Năng suất tính theo dung dịch đầu 4 tấn/h. Dung dịch trước khi vào hệ thống cô đặc được đun nóng đến nhiệt độ sôi. Hơi đốt dùng cho hệ thống là hơi nước bão hòa ở áp suất 4at. Độ chân không ở thiết bị ngưng tụ 0,2at. 1.2 Tổng quan về muối CaCl2 : Canxi clorua CaCl2 là hợp chất ion của canxi và clo. Chất này tan nhiều trong nước. Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn.Chất này có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đối với việc sản xuất sản lượng lớn thì người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của công nghệ Solvay. Do nó có tính hút ẩm cao,người ta phải chứa muối này trong các dụng cụ đậy nắp kín. Clorua canxi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.

1.1 Yêu cầu :

Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi làm việc liên tục xuôi chiều được sử dụng để côđặc dung dịch CaCl2, từ nồng độ 5% đến nồng độ 30% khối lượng Năng suất tính theodung dịch đầu 4 tấn/h Dung dịch trước khi vào hệ thống cô đặc được đun nóng đến nhiệt độsôi Hơi đốt dùng cho hệ thống là hơi nước bão hòa ở áp suất 4at Độ chân không ở thiết bịngưng tụ 0,2at

1.2 Tổng quan về muối CaCl 2 :

Canxi clorua CaCl2 là hợp chất ion của canxi và clo Chất này tan nhiều trong nước.Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn.Chất này có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đối với việc sảnxuất sản lượng lớn thì người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của công nghệ Solvay Do

nó có tính hút ẩm cao,người ta phải chứa muối này trong các dụng cụ đậy nắp kín

2

Tên khác

Canxi clorua, canxi (II) clorua,canxi diclorua,

E509Nhận dạng

Số CAS [10043-52-4]

Số RTECS EV9800000, khan

Thuộc tính

Công thức phân tử

CaCl2CaCl2.2H2ODihydratCaCl2.4H2OTetrahydratCaCl2.6H2OHexahydrat

Phân tử gam

110,99 g/mol, khan147,02 g/mol, dihydrat183,04 g/mol, tetrahydrat219,08 g/mol, hexahydrat

Bề ngoài rắn trắng hay không màu

Tỷ trọng

2,15 g/cm³, khan0,835 g/cm³, dihydrat1,71 g/cm³, hexahydratĐiểm nóng

chảy 772 °C (khan)

1.3.1 Công nghiệp

Hàng triệu tấn clorua canxi được sản xuất mỗi năm, chẳng hạn tại Bắc Mỹ, lượng tiêu thụnăm 2002 là 1.687.000 tấn (3,7 tỷ pao) Các cơ sở sản xuất của Công ty hóa chất Dow tạiMichigan chiếm khoảng 35% tổng sản lượng tại Hoa Kỳ về clorua canxi, và nó có nhiều ứngdụng công nghiệp khác nhau:

Do đặc tính hút ẩm mạnh của nó, nên không khí hay các loại khí khác có thể cho đi quacác ống chứa clorua canxi để loại bỏ hơi ẩm Cụ thể, clorua canxi thông thường được sửdụng để cho vào các ống làm khô để loại bỏ hơi ẩm trong không khí trong khi vẫn cho khí điqua Nó cũng có thể cho vào dung dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng.Quá trình hấp thụ nước là sinh nhiệt và nhanh chóng tạo ra nhiệt độ tới khoảng 60 ° C (140

°F).Vì khả năng này, nó được biết đến như là tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm

Do lượng nhiệt tỏa ra lớn trong quá trình hòa tan của nó, clorua canxi cũng được sửdụng như là hợp chất làm tan băng Không giống nhưclorua natri (muối đá hay halit) phổbiến hơn, nó là tương đối vô hại cho các loại cây trồng và đất; tuy nhiên, các quan sát gầnđây tại bang Washington lại cho rằng nó có thể gây hại cho các cây thường xanh ở hai bênđường.Nó cũng có hiệu lực hơn clorua natri ở các nhiệt độ thấp.Khi được phân phối chomục đích này, nó thường được sản xuất dưới dạng các viên nhỏ màu trắng, đường kính vàimilimét

Sử dụng tính chất hút ẩm của nó, người ta có thể dùng nó để giữ một lớp chất lỏng trênmặt đường nhằm thu hút hết bụi Nó cũng được sử dụng trong phối trộn bê tông nhằm tăngnhanh quá trình ổn định ban đầu của bê tông, tuy nhiên ion clorua lại dẫn tới sự ăn mòn củacác thanh gia cố bằng thép, vì thế không nên sử dụng nó trong bê tông chịu lực

Clorua canxi lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấp tới -52°C (-62°F),làm cho nó là lý tưởng để nhồi đầy các lốp không săm bổ sung như là các đồ dằn lỏng, hỗtrợ cho sức kéo trong điều kiện khí hậu lạnh

Các ứng dụng công nghiệp khác bao gồm sử dụng như là phụ gia trong hóa dẻo, hỗ trợtiêu nước trong xử lý nước thải, chất bổ sung trong các thiết bị dập lửa bình cứu hỏa, phụgia trong kiểm soát tạo xỉ trong các lò cao, cũng như làm chất pha loãng trong các loại thuốclàm mềm vải

Nó cũng có thể dùng để chế biến các đồ thay thế cho trứng cá muối từ nước hoaquả hay bổ sung vào sữa đã chế biến để phục hồi sự cân bằng tự nhiên giữa canxi vàprotein trong các mục đích sản xuất phó mát, như các dạng brie và stilton Tính chất tỏanhiệt của clorua canxi được khai thác trong nhiều loại thực phẩm 'tự tỏa nhiệt' trong đó nóđược hoạt hóa (trộn lẫn) với nước để bắt đầu quá trình sinh nhiệt, cung cấp một loại nhiênliệu khô, không nổ, dễ dàng kích hoạt

4

Trong ủ bia (đặc biệt là ale và bia đắng), clorua canxi đôi khi được sử dụng để điều chỉnh

sự thiếu hụt chất khoáng trong nước ủ bia (canxi là đặc biệt quan trọng cho chức năng củaenzym trong quá trình ngâm, cho quá trình đông kết lại của protein trong hầm ủ và trao đổichất của men bia) và bổ sung độ cứng vĩnh cửu nhất định cho nước Các ion clorua gia tănghương vị và tạo cảm giác ngọt và hương vị đầy đủ hơn, trong khi các ion sulfat trong thạchcao, cũng được sử dụng để bổ sung ion canxi vào nước ủ bia, có xu hướng tạo ra hương vịkhô và mát hơn, với độ đắng cao hơn

1.3.3 Sinh học/Y học

canxi phẩm cấp y tế có thể tiêm vào đường ven để điều trị giảm canxi máu (thấp canxihuyết) Nó cũng có thể sử dụng cho: các vết đốt hay châm của côn trùng; các phản ứng mẫncảm, cụ thể là khi có các đặc trưng như mày đay (phát ban); ngộ độc magiê do dùng quáliều sulffat magiê; như là chất bổ trợ trong kiểm soát các triệu chứng cấp tính trong ngộđộc chì; hồi tim mạch, cụ thể là sau phẫu thuật tim Canxi dùng ngoài đường ruột có thểđược sử dụng khi epinephrin thất bại trong việc cải thiện sự co cơ tim quá yếu hoặc khônghiệu quả Tiêm clorua canxi có thể trung hòa độc tính tim mạch trong tăng kali máu khi đobằng điện tâm đồ (ECG/EKG)

Nó có thể hỗ trợ cơ tim đối với các mức cao-nguy hiểm của kali đường huyết trong caokali máu Clorua canxi có thể dùng để điều trị nhanh độc tính ngăn chặn kênh canxi màkhông có các tác dụng phụ của các loại dược phẩm như Diltiazem (Cardizem) - giúp tránhcác cơn đau tim tiềm tàng

Dạng lỏng trong dung dịch của clorua canxi được sử dụng trong biến đổi gen của các tếbào bằng sự gia tăng độ thẩm thấu của màng tế bào, sinh ra năng lực cho việc lấy vào ADN(cho phép các mảnh ADN đi vào trong tế bào dễ hơn)

Nó cũng có thể dùng trong các bể cảnh để bổ sung có thể sử dụng về mặt sinh học trongdung dịch cho các sinh vật cần dùng nhiều canxi như tảo, ốc, san hô v.v mặc dù việc sửdụng hydroxit canxi hay lò phản ứng canxi là phương pháp được ưa chuộng hơn trong việc

bổ sung canxi Tuy nhiên, clorua canxi là phương pháp nhanh nhất để tăng nồng độ canxi do

nó hòa tan trong nước

1.4 Giới thiệu sơ lược về quá trình và thiết bị cô đặc

1.4.1 Giới thiệu chung về quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách táchbớt một phần dung môi qua dạng hơi

Quá trình cô đặc có thể tiến hành bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh Đối vớisản phẩm thực phẩm, cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng phương pháp nhiệt(đun sôi) Do đó, ở đây chỉ đề cập đến phương pháp nhiệt

Khi cô đặc bằng phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ, dung môi chuyển từtrạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất mặt thoángchất lỏng (tức là khi dung dịch sôi), sau đó dung môi lỏng sẽ bay hơi ra khỏi dung dịch H ơicủa dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ Hơi thứ ở nhiệt độcao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng một thiết

bị ngoài hệ thống cô đặc thì gọi là hơi phụ

Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyềnnhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếpthường dùng hơi bão hòa để đốt nóng

Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất thườngthì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc áp suất dư) thìdùng thiết bị kín.

Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiềunồi

Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi thứ đến ápsuất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt)

Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơiđốt cho nồi sau

Quá trình cô đặc thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩmnhư cô đặc muối, đường, sữa, cà chua, ớt …làm tăng chất lượng sản phẩm Ngoài ra, côđặc còn có tác dụng bảo quản, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật

1.4.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấutạo sau là dễ dàng và tiêu biểu nhất:

Các thiết bị cô đặc được chia làm 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu sau đây:

- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên

+ Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài.+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)

+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài

+ Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài

- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng

+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài

+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài

1.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Hình 1.1: Sơ đồ dây chuyền công nghệ hệ thống cô đặc

6

Dung dịch được chứa ở thùng chứa (1), được bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị (3) Từthùng cao vị dung dịch được đưa điều chỉnh lưu lượng ở lưu lượng kế (4) trước khi vào hệthống cô đặc Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị gia nhiệt (5) để nâng đến nhiệt độ sôi Tiếp theo dung dịch đi vào hệ thống 3 nồi cô đặc (6), dung dịch qua mỗi nồi có nồng độtăng dần Hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt Dung dịch đi trong ống, hơi nước

đi ngoài ống Hơi thứ nồi thứ nhất là hơi đốt nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai là hơi đốt nồi thứ ba.Hơi thứ ra khỏi nồi thứ ba được đưa vào baromet ngưng tụ (7), có tác dụng tạo độ chân khôngcho hệ thống cô đặc Dung dịch di chuyển từ nồi đầu đến nồi cuối nhờ chênh áp Dung dịchsau khi cô đặc được đưa vào bể chứa (8)

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 Cân bằng vật liệu:

Các số liệu ban ban đầu:

- Dung dịch cô đặc: CaCl2

- Năng suất dung dịch đầu: 4000kg/h

- Nồng độ đầu: 5%

- Nồng độ cuối: 30%

- Áp suất hơi nồi 1: 4at

- Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,8at

2.1.1 Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống:

2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi

Gọi W1, W2, W3 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h)

Ta có: W1 + W2 + W3 = 3333.33 kg/h

Giả sử tỷ lệ lượng hơi thứ của từng nồi W1:W2:W3 = 1,1:1,05:1, sau khi tính toán thực tế ta

sẽ tìm được W1, W2 và W3 và so sánh với W1, W2, W3 theo giả thuyết ban đầu Nếu sai số giữalượng hơi thứ thực tế và lượng hơi thứ lý thuyết < 5% là được

W2 = 1111,11 kg/hW3 = 1058,2 kg/h

2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi

G1: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h)

x1 : nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng)

- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1:

Cân bằng vật chất tổng quát:

G1 = Gđ – W1 = 4000 – 1164,02= 2835,98 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:

- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 (x 2 ):

Cân bằng vật chất tổng quát:

G2 = G1 – W2 = 2835,98– 1111,11 = 1724,87 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:

2.2 Phân bố áp suất làm việc trong các nồi:

Gọi: P1, P2, P3, Pnt, là áp suất hơi đốt trong các nồi I, II, III và thiết bị ngưng tụ

Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ sau:

Pi Pi+1 =1,5

Vậy áp suất làm việc từng nồi là:

Bảng 2.1: Sự phân bố áp suất và nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ ở các nồi

P1 (at) t℃ P2 (at) t ℃ P3 (at) t ℃ Pnt (at) t ℃

Hơi đốt 4 142.9 2,48 125,98 1,47 108,84

0,8 93,0Hơi thứ 2,55 126,98 1,46 109,84 0,83 94,0

2.3 Tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi

- Δ’0 : là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dungmôi ở áp suất thường.

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

- r : là là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg

Dựa vào bảng (VI.2/67 – [2]) ta biết được tổn thất nhiệt độ Δ’0 theo nồng độ a (%kl)

Bảng 2.2: Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ ở mỗi nồi

Nồng độ dd

(%kl)

Dựa vào (I.251/314 – [1]) ta xác định được nhiệt hóa hơi r theo áp suất hơi thứ:

Bảng 2.3: Nhiệt độ hóa hơi theo áp suất hơi thứ ở các nồi

Nhiệt hóa hơi, r.10-3 J/kg 2191,35 2234 2272,4

Vậy, ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo các công thức trên:

Bảng 2.4: Sự phân bố nhiệt độ hơi thứ, hệ số hiệu chỉnh tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi

Suy ra tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ của hệ thống: ΣΔ’ = 4,36oC

2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)

Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do áp lực củacột chất lỏng Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoáng gọi là tổn thấtnhiệt dộ do áp suất thuỷ tĩnh

∆” = t(P+∆P) - tPVới:

- t(P+∆P) là nhiệt độ sôi ứng với Ptb

- tP là nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch

Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của chất lỏng:

Theo CT VI.12/55-[2] ,ta có:

Ptb =Po + (∆h +

h

2 )ρddsoi.g

Với:

- Po là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch

- ∆h là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoángdung dịch, chọn ∆h=0,5m cho cả 3 nồi

- H là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 3 m cho cả 3 nồi

- ρddsoi là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

ρddsoi =

ρ dd

2ρdd được nội suy và ngoại suy từ bảng I.37/40-[1]

Để tính tos của dung dịch CuSO4 ứng với Ptb ta dùng công thức Babo:

( P Ps)t = K = constTrong đó:

- P: áp suất hơi bão hòa trên bề mặt thoáng của dung dịch

- Ps: áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội suy từbảng I.250/312-[1]

Nồi 1: ứng với x1= 7,05% → ts1 =101,2oC (theo bảng I.204/236 –[1])

Pht = 2,55at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,04 at

tp = tht + Δ’ = 126,98 +0,52 = 127,5 oCVậy → ∆”1 = t(P+∆P) - tP = 131,54 -127,5 = 4,04 oC

Nồi 2: ứng với nồng độ x2 =11,59 % → ts2 =102,2oC ( theo bảng I.204/237-[1])

Pht =1,46 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,08 at

Ta có: ρdd = 1105.2 (kg/m3) → ρdds = 552,6 (kg/m3)

12

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:

Vậy → ∆”1 = t(P+∆P) - tP = 102,79-96,98 =5,81 oC

Kết quả quá trình tính ở trên được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2.5 Tính áp suất trung bình giữa ống truyền nhiệt.

Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3

2.4 Tính nhiệt lượng, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt ngưng tụ

2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng

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

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

Các giá trị trên được tra trong bảng (tra theo nhiệt độ): I.250/312 –[1]

2.4.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:

Nhiêt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2:

Ta có: x2=11,59% ¿ 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[1]:

→ C2 =4186.(1-0,1159) = 3700,8(J/kg.độ).)

Nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồi 3:

Vì x3 = 30 % > 20% nên ta áp dụng công thức I.44/152 – [1]

C3 = Chtx3 + 4186(1 – x3) =723,75.0,30+ 4186(1-0,30)= 3147,3 (J/kg.độ)

2.4.3 Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng và nhiệt

độ sôi của các dung dịch trong các nồi

Chọn tổn thất nhiệt độ khi hơi thứ nồi trước di chuyển trong hệ thống ống, đi làm hơi đốtcho nồi sau là 1℃.

Dựa vào nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ đã tính được ở cân bằng vật liệu, tra bảng và nội suy,

ta được các giá trị I, i, Cn

Tính I và i bằng phương pháp nội suy theo bảng I.250/312-[1]

Tính Cn bằng cách nội suy theo bảng I.249/310-[1]

Bảng 2.7: Nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng và nhiệt độ sôi

của các dung dịch trong các nồi

t ℃ i.10-3

(J/kg)

Cn(J/kg.độ)

2.5 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết

Hình 2.1: Cần bằng nhiệt lượng trong dây chuyền

Ta có:

- D1, D2, D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)

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

- W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3 (kg/h)

- C1, C2, C3 là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1,2,3 (J/kg.độ)

- Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch dịch vào và ra (J/kg.độ)

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

- I1, I2, I3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, (J/kg)

- i1, i2, i3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, (J/kg).

- tđ, tc là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, (℃).

- t1, t2, t3 là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở Ptb (℃)

- θ1,θ2, θ3 là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, (℃).

- Qtt1, Qtt2, Qtt là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, (J)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ΣQvào = ΣQra

Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi

Bảng 2.8: Cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi

Nồi 1 Vào Dung dich đầu mang vào Gđ.Cđ.tđ

Dung dịch mang ra (Gđ-W1)C1.t1Nước ngưng mang ra D1Cn1θ1Tổn thất nhiệt chung 1 Qtt1= 0,05 D1.I1

Dung dịch(ở nồi 1 ra) mang vào (Gđ-W1)C1.t1

Dung dịch mang ra (Gđ-W1-W2)C2.t2Nước ngưng mang ra D2Cn2θ2

tổn thất nhiệt chung 2 Qtt2 = 0,05 D2.I2

Dung dịch(ở nồi 2 ra) mang vào (Gđ-W1-W2)C2.t2

Dung dịch mang ra (Gđ-W1-W2-W3)C3.t3nước ngưng mang ra D3Cn3θ3

Tổn thất nhiệt chung 3 Qtt3 = 0,05 D3.I3Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi

Ở nồi 2, chú ý: D2 = W1

(Gđ-W1)C1.t1 + D2.I2 = W2.i2 + (Gđ-W1-W2)C2.t2 + D2Cn2θ2 + 0,05 D2.I2Biến đổi ta được:

W1(0,95I2 - C1.t1 + C2.t2 - Cn2θ2) + W2 (C2.t2 – i2) = Gđ (C2.t2 - C1.t1) (2)Nồi 3:

D3.I3 + (Gđ-W1-W2)C2.t2 = W3.i3 + (Gđ-W)C3.t3 + D3Cn3θ3 + 0,05 D3.I3

Ở nồi 3, chú ý: D3 = W2 và W = W1 + W2 + W3 = 3333,33

Biến đổi, ta được:

W2(0,95I3 - Cn3θ3 - C2.t2 + I3 ) - W1 (C2.t2 - i3) = Gđ (C3.t3 - C2.t2 ) +W(i3- C3.t3) (3)

Giả thiết nhiệt cung cấp cho quá trình cô đặc chỉ là nhiệt ngưng tụ thì có thể xem nhiệt độ

nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: θ = thd

Từ phương trình (2) và (3), với số liệu ở bảng trên, ta tính được:

W i(ptcbnl)−W i(ptcbvl )

W i(ptcbnl ) Bảng 2.9:Cân bằng vật liệu và cần bằng năng lượng ở các nồi

Theo CBVL, kg/h Theo CBNL,kg/h Sai số, %

Lượng hơi đốt vào nồi 1 tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi 1

D1 = 1648,6 (kg/h) (thay các giá trị vào biểu thức nồi 1)

Trong đó: t1, t2 nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt tương ứng  .

θ1, θ2là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.

Nồi 1: x1= 7,05 %, chọn chất chuẩn là nước

t1 = 200C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d1 = 1,062 g/cm3

Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng :

Trong đó : C% là nồng độ dung dịch CaCl2

n là tổng điện tích của ion Ca2+ trong phân tử

d là khối lượng riêng của dung dịch CaCl2

Suy ra: CN = 1,32 (dlg/l)

Tra bảng I.105/97-[1], ta có = 1,88.10-3 (N.s/m2)

Nhiệt độ của H2O tương ứng với : = 0,990C

t2 = 400C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d2 = 1,022g/cm3.Suy ra: CN = 1,25 (dlg/l)

Nồi 2: x2 = 11,59%, chọn chất chuẩn là H2O

t1 = 200C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d1 = 1,152 g/cm3

Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng

Suy ra: CN = 2,41 (dlg/l)

Tra bảng I.105/97-[1], ta có = 2,41.10-3 (N.s/m2)

Nhiệt độ của H2O tương ứng với : = 0,96 0C

t2 = 400C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d2 = 1,128g/cm3.Suy ra: CN = 2.36 (dlg/l)

t1 = 200C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d1 = 1,281 g/cm3.

Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng :

Suy ra: CN = 6,924 (dlg/l)

Tra bang I.105/97-[1], ta có = 3,203.10 -3 (N.s/m2)

Nhiệt độ của dung dịch NaCl 15% tương ứng với

2.6.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Tính theo công thức (I.32/123- [1]):

λd= A Cp ρ3√ M ρ , W/m.độ

Trong đó:

- Cp- nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch , J/kg.độ;

- ρ: khối lượng riêng của dung dịch , kg/m3;

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

- A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng; lấy A = 3,58.10-8;với: M = mi Mct + (1- mi) MH2O

Nồi 1: Với x1 = 7,05%, tính được m1 = 0,0206

M1 = m1.Mct + (1- m1).MH2O

= 0,0206 160 + (1 – 0,0206).18

= 20,92

Mô tả sự truyền nhiệt qua thành ống:

Ở đây ta dùng hơi nước bão hòa làm hơi đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc đi trongống Do đó khu vực sôi bố trí bên trong ống còn phía ngoài ống là lớp nước ngưng tụ Màngnước ngưng này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Còn sát thành ống sẽ có một lớp cặndung dịch bám vào,vì vận tốc khu vực này gần bằng không Lớp cặn này cũng ảnh hưởng đếnqua trình truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm ba giai đoạn:

- Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt là α1với nhiệt tải là q1 (W/m2)

- Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày là δ, m;

- Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt là α2 với nhiệt tải riêng

là q2 (W/m2)

Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị:

Theo định luật Niutơn ta có

q1= α1.Δt1 (4.3)Trong đó Δt1 hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ (nhiệt độ bão hòa) và

Trong đó:

20

A= ( ρ2μ λ3)0 ,25 Đối với nước giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm, còn r là ẩn nhiệt

hóa hơi của hơi đốt Tra bảng I.250/312 – [1] ta có:

Bảng 2.10: Sự phân bố nhiệt độ hơi đốt, và nhiệt hóa hơi ở các nồi

Nhiệt độ hơi đốt, ℃ Nhiệt hóa hơi rhh.10-3J/kg

2.6.4 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi

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

Qi - nhiệt lượng cung cấp, J

Ki – hệ số truyền nhiệt,W/m2.độ;

Ta có:

Qi = Di.ri/3600 Trong đó: Di : lượng hơi đốt của mỗi nồi, kg/h;

ri : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi, J/kg;

22

Nồi 2: ∆ thi2 = 56,88.

928,09 3348,07 = 15,77 ℃

Nồi 3 : ∆ thi3 = 56,88.

1281,87 3348,07 = 21,78 ℃

2.6.5 Tính toán bề mặt truyền nhiệt

Bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi:

Nồi 1: F1 =

Q1

K1Δth1 =

975295,56 856,94 19,35 = 58,85 m2Nồi 2: F2 =

Q2

K2Δth2 =

684278,4 737,30.15,77 = 58,85 m2Nồi 3: F3 =

Q3

K3Δth3 =

694979,96 542,16.21,78 = 58,85 m2

2.7 Tính toán các thiết bị chính

2.7.1 Buồng đốt

2.7.1.1 Số ống truyền nhiệt

Chọn đường kính ống truyền nhiệt là:dn = 57 mm = 0,057 m

Chiều cao ống truyền nhiệt là: h=3 m;

Bề dày ống truyền nhiệt: 2 mm

Suy ra đường kính trong của ống truyền nhiêt: dt = 53 mm

Thiết bị sử dụng là thiết bị ống tuần hoàn ngoài nên số ống được tính theo công thức sau:

n =

F

dt H π =

58,85 0,053.3.3,14 = 117,77 (ống)

Theo bảng qui chuẩn số ống truyền nhiệt V.11/48-[2], ta có nqc = 127 ống

Và với số ống được quy chuẩn trên, mạng ống được sắp xếp theo hình sáu cạnh (lục giácđều) với số hình sáu cạnh là 8, số ống trên đường xuyên tâm là 17 Tổng số ống không kể cácống trong hình viên phân là 127 ống

Bước ống (m) Số ống trên

đường xuyên tâm

dtn (m) Dt (m) Dt quy chuẩn

(m)

2.7.1.3 Chiều dày buồng đốt

Thường dùng thép chịu nhiệt CT3

Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong p được xác định theo công thứcsau:

S =

D t P

2 [ σ ] ρ−P+C (m) (XIII.8/360 – [2])

Trong đó:

- Dt : là đường kính trong của buồng đốt, (m)

- φ: hệ số bền của thành hình trụ tính theo phương dọc, chọn φ=0,95.(theo bảngXIII.8/362 – [2])

- C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày, (m);

- P: áp suất trong thiết bị (at);

- [σ] -ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [σk], và ứng suất theo giới hạn chảy[σch];

Ứng suất kéo:

[σ k]=σ k

n k η , (N/m2) (XIII.1/355 – [2]) Với :

- η là hệ số điều chỉnh,theo bảng XIII.2/356 – [2] ta chọn η = 0,9

- nk là hệ số an toàn theo giới hạn bền theo bảng XIII.3/356 – [2] ta chọn

[σ c]=σ c

n c η (N/m2) (XIII.2/355 – [2])Tương tự ta chọn : η = 0,9; nc = 1,5; σc = 240.106 N/m2

→ [ σc]= 240.106

1,5 0,9=144.10

6

(N/m2)Ứng suất cho phép phải lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điệu kiện bền, tức là lấy[σ] = 131,54 106 (N/m2)

Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn và dung sai của chiều dài Xác định theocông thức sau:

24

C =C1 + C2 + C3 ,( m) (XIII.17/363 – [2])

Trong đó: C1 – là đại lượng bổ sung do ăn mòn; ta chọn C1 = 1 mm;

C2 – là đại lựong bổ sung do hao mòn,trong trường hợp tính toán thiết hóa chất

- Po là áp suất thử tính toán theo công thức sau:

Ta thấy:

σ th=[1,5+(3−1,4 )10−3].619863 , 49

2.(3−1,4 )10−3.0 ,95 =188 , 5 10

6<200 106

Vậy bề dày 3 mm thỏa mãn nồi 1

Nồi 2: Áp suất trong thiết bị bằng áp suất hơi đốt Phđ : P =Phđ2

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

σ th[D t+(S−C )] P o

2 (S−C )ϕ ≤

σ c

1,2 (CTXIII.26/365-[2])Trong đó: Po là áp suất thử tính toán theo công thức sau:

Vậy bề dày 3 mm thỏa mãn nồi 2

Nồi 3: Áp suất trong thiết bị bằng áp suất hơi đốt Phđ : P =Phđ

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

σ th=[D t+(S−C )] P o

2.( S−C )ϕ ≤

σ c

1,2 (CTXIII.26/365-[2])Trong đó: Po là áp suất thử tính toán theo công thức sau:

26

Bảng 2.13: Bề dày buồng đốt

Nồi Stính (mm) Sqc (mm) σth.10-6

(N/m2)

σc/1,2 10-6(N/m2)

Schọn (mm)

2.7.1.4 Bề dày đáy buồng đốt

Đáy cũng như nắp được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị, đáy và nắp được nốivới thân thiết bị bằng cách hàn, ghép bích hoặc hàn liền với thân Đối với thân hình trụ thẳngđứng, áp suất trong lớn hơn 7.104 N/m2, thường chọn đáy hình elip

Chiều dày S được xác định theo công thức XIII.47/385-[2]:

S= D t p

3,8[σ k] k ϕ h−p.

D t

2h b+C (m)Trong đó: hb là chiều cao phần lồi của đáy (m) có giá trị bằng:

hb = 0,23.Dt = 0,23.1,5 = 0,345(m)

φh là hệ số bền của mối hàn hướng tâm tra ở bảng XIII.8/362-[2]

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

k là hệ số không thứ nguyên xác định như sau: k = 1- d/Dt

Ở đây d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng, lấy d = 0,15m

Theo bảng XIII.11/384-[2], quy chuẩn S = 7 mm

Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức:

σ = D

2

t +2 h b (S−C ) p o 7,6 k ϕ h h b .( S−C )=

[ 1,52+2 0 , 345 (0 , 007−0 ,0034 )] 619863, 49

7,6 0,9 0 , 95 0 , 345 (0 , 007−0 , 0034) =164 , 350

6(N/m2)Như vậy: σ <

σ c

1,2 = 200.106 (N/m2)

Do đó, S = 7 mm phù hợp cho đáy buồng đốt nồi 1

Nồi 2: P = Phd2 = 2,48.9,81.104 = 243288 (N/m2)

Theo bảng XIII.11/384-[2], quy chuẩn S = 6 mm.

Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức:

σ = D

2

t +2 h b (S−C ) p o 7,6 k ϕ h h b .( S−C )=

Theo bảng XIII.11/384-[2], quy chuẩn S = 5 mm

Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức:

σ = D

2

t +2 h b (S−C ) p o 7,6 k ϕ h h b .( S−C )=

[ 1,5 2 +2 0 , 345 (0 , 005−0 ,0034 )].254028

7,6 0 ,83 0 , 95 0 , 345 (0 , 005−0 , 0034 ) =172 , 9 10

6(N/m2)Như vậy: σ <

σ c

1,2 = 200.106 (N/m2)

Do đó, S = 5 mm phù hợp cho đáy buồng đốt nồi 3

Như vậy, ta có thể chon bề dày đáy buồng đốt là 9 mm cho cả 3 nồi

Bảng 2.14: Bề dày đáy buồng đốt

Nồi Stính (m) S (m) σth.10-6

(N/m2)

σc/1,2 10-6(N/m2)

Dựa vào bảng XIII.11/384-[2], chọn chiều cao gờ bằng 25 mm.

2.7.2 Buồng bốc

2.7.2.1 Đường kính buồng bốc

Theo bảng XIII.6/359 – [2] ta chọn đường kính trong buồng bốc Db là 2 m

2.7.2.2 Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi xác định theo công thức:

ρ h U tt (m3) (VI.32/71 – [2])Trong đó:

- Vkgh: thể tích không gian hơi (m3)

- W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3)

- ρh : khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m 3 )

- Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi trong một đơn vịthời gian (m3/m3.h) Chọn Utt=1600 (m3/m3.h)

- f: là hệ số điều chỉnh, xác định theo đồ thị VI.3/72 – [2]

Chọn chiều cao phần dung dịch tràn trên buồng bốc là 0,55 m

Chọn chiều cao buồng bốc cho cả 3 nồi là 2,2 m

σ c

1,2 = 200.106 (N/m2)

Do đó, S=2 mm thỏa mãn điều kiện bền buồng bốc nồi 3

Vậy bề dày buồng bốc của cả 3 nồi được thiết kế là 2 mm

Schọn (m)

[σk] = 131,54.106 N/m2

n= 0,95

hb là chiều cao phần lồi của nắp; hb = 0,25.Db =0,25 (m)

k là hệ số không thứ nguyên, xác định như sau: K=

Theo bảng XIII.11/384-[2], chọn bề dày S = 5 (mm) cho nắp buồng bốc nồi 1

Kiểm tra ứng suất thành nắp với áp suất thử thủy lực theo công thức:

σ = D

2

.+2 h b .( S−C ) p o 7,6 k ϕ h h b .( S−C ) ≤

Kiểm tra ứng suất thành nắp với áp suất thử thủy lực theo công thức:

σ = D

2

.+2 h b .( S−C ) p o 7,6 k ϕ h h b .( S−C ) ≤

Theo bảng XIII.11/384-[2], chọn bề dày S = 5 (mm) cho nắp buồng bốc nồi 3

Kiểm tra ứng suất thành nắp với áp suất thử thủy lực theo công thức:

σ = D

2

.+2 h b .( S−C ) p o 7,6 k ϕ h h b .( S−C ) ≤

Do đó nắp buồng bốc nồi 3 có bề dày là 5 mm đảm bảo độ bền

Vậy, thiết kế nắp có bề dày 5 mm cho cả 3 nồi

Bảng 2.16: Bề dày nắp buồng bốc

Nồi Stính (mm) S (mm) σ 10-6 (N/

m2)

σ /1,2.10-6(N/m2) Schọn (mm)