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 tốn thiết kế hệ thống đặc nồi làm việc liên tục xuôi chiều 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 tấn/h Dung dịch trước vào hệ thống đặc đun nóng đến nhiệt độ sơi Hơi đốt dùng cho hệ thống nước bão hịa áp suất 4at Độ chân khơng thiết bị ngưng tụ 0,2at 1.2 Tổng quan muối CaCl2 : Canxi clorua CaCl2 hợp chất ion canxi clo Chất tan nhiều nước Tại nhiệt độ phịng, chất rắn.Chất sản xuất từ đá vôi việc sản xuất sản lượng lớn người ta tạo sản phẩm phụ cơng nghệ Solvay Do có tính hút ẩm cao,người ta phải chứa muối dụng cụ đậy nắp kín Clorua canxi Danh pháp IUPAC calcium chloride Tên khác Canxi clorua, canxi (II) clorua, canxi diclorua, E509 Nhận dạng Số CAS [10043-52-4] Số RTECS EV9800000, khan Thuộc tính Cơng thức phân tử 1.3 dụng Phân tử gam CaCl2 CaCl2 CaCl2.2H2ODihydrat CaCl2.4H2OTetrahydrat CaCl2.6H2OHexahydrat 110,99 g/mol, khan 147,02 g/mol, dihydrat 183,04 g/mol, tetrahydrat 219,08 g/mol, hexahydrat Bề ngồi rắn trắng hay khơng màu Tỷ trọng 2,15 g/cm³, khan 0,835 g/cm³, dihydrat 1,71 g/cm³, hexahydrat Điểm nóng chảy 772 °C (khan) Ứng : 1.3.1 Công nghiệp Hàng triệu clorua canxi sản xuất năm, chẳng hạn Bắc Mỹ, lượng tiêu thụ năm 2002 1.687.000 (3,7 tỷ pao) Các sở sản xuất Cơng ty hóa chất Dow Michigan chiếm khoảng 35% tổng sản lượng Hoa Kỳ clorua canxi, có nhiều ứng dụng cơng nghiệp khác nhau: Do đặc tính hút ẩm mạnh nó, nên khơng khí hay loại khí khác cho qua ống chứa clorua canxi để loại bỏ ẩm Cụ thể, clorua canxi thông thường sử dụng vào ống làm khơ để loại bỏ ẩm khơng khí cho khí qua Nó cho vào dung dịch lỏng để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng Quá trình hấp thụ nước sinh nhiệt nhanh chóng tạo nhiệt độ tới khoảng 60 ° C (140 °F).Vì khả này, biết đến tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm Do lượng nhiệt tỏa lớn q trình hịa tan nó, clorua canxi sử dụng hợp chất làm tan băng Không giống nhưclorua natri (muối đá hay halit) phổ biến hơn, tương đối vơ hại cho loại trồng đất; nhiên, quan sát gần bang Washington lại cho gây hại cho thường xanh hai bên đường.Nó có hiệu lực clorua natri nhiệt độ thấp.Khi phân phối cho mục đích này, thường sản xuất dạng viên nhỏ màu trắng, đường kính vài milimét Sử dụng tính chất hút ẩm nó, người ta dùng để giữ lớp chất lỏng mặt đường nhằm thu hút hết bụi Nó sử dụng phối trộn bê tơng nhằm tăng nhanh q trình ổn định ban đầu bê tông, nhiên ion clorua lại dẫn tới ăn mòn gia cố thép, khơng nên sử dụng bê tơng chịu lực Clorua canxi lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấp tới -52°C (-62°F), làm cho lý tưởng để nhồi đầy lốp không săm bổ sung đồ dằn lỏng, hỗ trợ cho sức kéo điều kiện khí hậu lạnh Các ứng dụng cơng nghiệp khác bao gồm sử dụng phụ gia hóa dẻo, hỗ trợ tiêu nước xử lý nước thải, chất bổ sung thiết bị dập lửa bình cứu hỏa, phụ gia kiểm soát tạo xỉ lị cao, làm chất pha lỗng loại thuốc làm mềm vải 1.3.2 Thực phẩm Như thành phần, liệt kê phụ gia thực phẩm phép sử dụng Liên minh châu Âu để làm phụ gia cô lập chất làm với số E E509 Dạng khan FDA phê chuẩn phụ gia hỗ trợ đóng gói để đảm bảo độ khơ (CPG 7117.02) Clorua canxi sử dụng phổ biến chất điện giải có vị cực mặn, tìm thấy loại đồ uống dành cho người tập luyện thể thao dạng đồ uống khác, Smartwater nước đóng chai Nestle Nó sử dụng phụ gia bảo quản để trì độ rau đóng hộp hàm lượng cao loại rau dưa muối để tạo vị mặn không làm tăng hàm lượng natri thực phẩm Nó dùng để chế biến đồ thay cho trứng cá muối từ nước hoa hay bổ sung vào sữa chế biến để phục hồi cân tự nhiên canxi protein mục đích sản xuất phó mát, dạng brie stilton Tính chất tỏa nhiệt clorua canxi khai thác nhiều loại thực phẩm 'tự tỏa nhiệt' hoạt hóa (trộn lẫn) với nước để bắt đầu trình sinh nhiệt, cung cấp loại nhiên liệu khơ, khơng nổ, dễ dàng kích hoạt Trong ủ bia (đặc biệt ale bia đắng), clorua canxi sử dụng để điều chỉnh thiếu hụt chất khoáng nước ủ bia (canxi đặc biệt quan trọng cho chức enzym q trình ngâm, cho q trình đơng kết lại protein hầm ủ trao đổi chất men bia) bổ sung độ cứng vĩnh cửu định cho nước Các ion clorua gia tăng hương vị tạo cảm giác hương vị đầy đủ hơn, ion sulfat thạch cao, sử dụng để bổ sung ion canxi vào nước ủ bia, có xu hướng tạo hương vị khô mát hơn, với độ đắng cao 1.3.3 Sinh học/Y học canxi phẩm cấp y tế tiêm vào đường ven để điều trị giảm canxi máu (thấp canxi huyết) Nó sử dụng cho: vết đốt hay châm côn trùng; phản ứng mẫn cảm, cụ thể có đặc trưng mày đay (phát ban); ngộ độc magiê dùng liều sulffat magiê; chất bổ trợ kiểm sốt triệu chứng cấp tính ngộ độc chì; hồi tim mạch, cụ thể sau phẫu thuật tim Canxi dùng ngồi đường ruột sử dụng epinephrin thất bại việc cải thiện co tim yếu không hiệu Tiêm clorua canxi trung hịa độc tính tim mạch tăng kali máu đo điện tâm đồ (ECG/EKG) Nó hỗ trợ tim mức cao-nguy hiểm kali đường huyết cao kali máu Clorua canxi dùng để điều trị nhanh độc tính ngăn chặn kênh canxi mà khơng có tác dụng phụ loại dược phẩm Diltiazem (Cardizem) - giúp tránh đau tim tiềm tàng Dạng lỏng dung dịch clorua canxi sử dụng biến đổi gen tế bào gia tăng độ thẩm thấu màng tế bào, sinh lực cho việc lấy vào ADN (cho phép mảnh ADN vào tế bào dễ hơn) Nó dùng bể cảnh để bổ sung sử dụng mặt sinh học dung dịch cho sinh vật cần dùng nhiều canxi tảo, ốc, san hô v.v việc sử dụng hydroxit canxi hay lò phản ứng canxi phương pháp ưa chuộng việc bổ sung canxi Tuy nhiên, clorua canxi phương pháp nhanh để tăng nồng độ canxi hòa tan nước 1.4 Giới thiệu sơ lược q trình thiết bị đặc 1.4.1 Giới thiệu chung q trình đặc Cơ đặc q trình làm tăng nồng độ chất rắn hịa tan dung dịch cách tách bớt phần dung môi qua dạng Q trình đặc tiến hành phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh Đối với sản phẩm thực phẩm, đặc q trình làm đậm đặc dung dịch phương pháp nhiệt (đun sơi) Do đó, đề cập đến phương pháp nhiệt Khi cô đặc phương pháp nhiệt, tác dụng nhiệt độ, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái áp suất riêng phần áp suất mặt thống chất lỏng (tức dung dịch sơi), sau dung môi lỏng bay khỏi dung dịch H dung mơi tách q trình cô đặc gọi thứ Hơi thứ nhiệt độ cao dùng để đun nóng cho thiết bị khác, dùng thứ để đun nóng thiết bị ngồi hệ thống đặc gọi phụ Truyền nhiệt q trình đặc thực trực tiếp gián tiếp, truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lị cho tiếp xúc với dung dịch, truyền nhiệt gián tiếp thường dùng bão hịa để đốt nóng Q trình đặc thực áp suất khác nhau, làm việc áp suất thường dùng thiết bị hở, làm việc áp suất khác (chân khơng áp suất dư) dùng thiết bị kín Q trình đặc tiến hành liên tục hay gián đoạn thiết bị nồi nhiều nồi Khi cô đặc nồi, muốn sử dụng thứ để đốt nóng lại phải nén thứ đến áp suất đốt (gọi thiết bị có bơm nhiệt) Khi đặc nhiều nồi dung dịch từ nồi sang nồi kia, thứ nồi trước làm đốt cho nồi sau Q trình đặc thường sử dụng rộng rãi cơng nghiệp hóa chất thực phẩm cô đặc muối, đường, sữa, cà chua, ớt …làm tăng chất lượng sản phẩm Ngồi ra, đặc cịn có tác dụng bảo quản, hạn chế phát triển vi sinh vật 1.4.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại khác tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau dễ dàng tiêu biểu nhất: Các thiết bị cô đặc chia làm loại thuộc nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên + Loại 1: Có buồng đốt trong; có ống tuần hồn hay ống tuần hồn ngồi + Loại 2: Có buồng đốt ngồi - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hoàn cưỡng bức) + Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hồn ngồi + Loại 4: Có buồng đốt ngồi, có ống tuần hồn ngồi - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng + Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có buồng đốt hay ngồi + Loại 6: Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi 1.3 Thuyết minh sơ đồ cơng nghệ Hình 1.1: Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ hệ thống cô đặc Dung dịch chứa thùng chứa (1), bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị (3) Từ thùng cao vị dung dịch đưa điều chỉnh lưu lượng lưu lượng kế (4) trước vào hệ thống cô đặc Sau đó, dung dịch bơm qua thiết bị gia nhiệt (5) để nâng đến nhiệt độ sôi Tiếp theo dung dịch vào hệ thống nồi cô đặc (6), dung dịch qua nồi có nồng độ tăng dần Hệ thống sử dụng nước bão hòa để cấp nhiệt Dung dịch ống, nước ống Hơi thứ nồi thứ đốt nồi thứ hai, thứ nồi thứ hai đốt nồi thứ ba Hơi thứ khỏi nồi thứ ba đưa vào baromet ngưng tụ (7), có tác dụng tạo độ chân không cho hệ thống cô đặc Dung dịch di chuyển từ nồi đầu đến nồi cuối nhờ chênh áp Dung dịch sau cô đặc đưa vào bể chứa (8) CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 Cân 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 nồi 1: 4at Áp suất lại thiết bị ngưng tụ: 0,8at 2.1.1 Lượng thứ bốc khỏi hệ thống: 2.1 Cân vật liệu 2.1.1 Lượng nước bốc hệ thống (hơi thứ ) Gọi : Gđ , Gc , W lưu lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối tổng lượng thứ (kg/h) xđ, xc nồng độ chất khô dung dịch ban đầu sản phẩm cuối (% khối lượng) W Gđxđ Cô đặc Gc xc Chọn tính Cân vật chất tổng quát: Gđ = Gc + W Cân vật chất cấu tử chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc Ta có: xđ = 5% = 0,05 xc = 30% = 0,3 Gđ= tấn/h = 4000kg/h xc 0,05 x ⇒ Gc = đ Gđ = 0,3 4000 = 666,67 kg/h ⇒W = Gđ – Gc = 4000 – 666,67 = 3333.33 kg/h 2.1.2 Lượng thứ phân bố nồi Gọi W1, W2, W3 lượng thứ bốc lên nồi 1, nồi nồi (kg/h) Ta có: W1 + W2 + W3 = 3333.33 kg/h Giả sử tỷ lệ lượng thứ nồi W 1:W2:W3 = 1,1:1,05:1, sau tính tốn thực tế ta tìm W1, W2 W3 so sánh với W1, W2, W3 theo giả thuyết ban đầu Nếu sai số lượng thứ thực tế lượng thứ lý thuyết < 5% ⇒ W1 = 1164,02 kg/h W2 = 1111,11 kg/h W3 = 1058,2 kg/h 2.1.3 Tính nồng độ dung dịch nồi W Gđ, xđ W G1, x1 Nồi W G2, x2 Gc, xc Nồi Nồi G1: khối lượng dung dịch khỏi nồi (kg/h) x1 : nồng độ dung dịch khỏi nồi (% khối lượng) - Nồng độ dung dịch khỏi nồi 1: Cân vật chất tổng quát: G1 = Gđ – W1 = 4000 – 1164,02= 2835,98 kg/h Cân vật chất cấu tử chất khô: Gđ.xđ = G1.x1 Gđ 4000 G ⇒x1 = xđ = 2835,98 0,05 = 0,0705 = 7,05% - Nồng độ dung dịch khỏi nồi (x2): Cân vật chất tổng quát: G2 = G1 – W2 = 2835,98– 1111,11 = 1724,87 kg/h Cân vật chất cấu tử chất khô: G1 2835,98 G G1.x1 = G2.x2⇒ x2 = x1= 1724,87 0,0705= 0,1159 = 11,59% - Nồng độ dung dịch khỏi nồi (x3): G3 = Gc = 666,67 kg/h Nồng độ dung dịch khỏi nồi nồng độ sản phẩm cuối x3= xc = 30% Nồng độ trung bình nồi 1: ⇒ x tb1 = x đ + x1 + 7,05 100 = 100 = 6,025 % 2 Nồng độ trung bình nồi 2: ⇒ x tb2 = x1 + x 7,05 + 11,59 100 = 100 = 9,32 % 2 Nồng độ trung bình nồi 3: ⇒ x tb3 = x2 + x3 11,59 + 30 100 = 100 = 20,79 % 2 2.2 Phân bố áp suất làm việc nồi: Gọi: P1, P2, P3, Pnt, áp suất đốt nồi I, II, III thiết bị ngưng tụ Giả sử giảm áp suất xảy nồi không giảm theo tỷ sau: Pi Pi + =1,5 Vậy áp suất làm việc nồi là: Ta có: P1-Pnt=4-0,8= 3,2 (at) ∆P = P1+P2+P3= 3,2 at Nên: P1= 1,52 at P2= 1,01 at P3= 0,67 at Gọi thđ1, thđ2, thđ3, tnt: nhiệt độ đốt vào nồi 1, nồi 2, nồi thiết bị ngưng tụ tht1, tht2, tht3, nhiệt độ thứ khỏi nồi 1, nồi 2, nồi Coi tổn thất nhiệt độ mat1khi vận chuyển từ thiết bị sang thiết bị khác Do đó: thđ2 = tht1-1 thđ3 = tht2-1 tnt = tht3-1 Từ áp suất Pht1, Pht2, Pht3 biết, ta tra bảng I.251/314 –[1] ta nhiệt độ thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3, từ biết nhiệt độ đốt nồi 1, 2, qua công thức (8), (9) Biết nhiệt độ đốt ta biết áp suất đốt cách tra bảng I.250/312 –[1]: Bảng 2.1: Sự phân bố áp suất nhiệt độ đốt thứ nồi Hơi đốt Hơi thứ nồi nồi P1 (at) 142.9 2,55 126,98 P2 (at) 2,48 1,46 nồi 125,98 109,84 2.3 Tổn thất nhiệt độ nồi P3 (at) 1,47 0,83 Thiết bị baromet Pnt (at) 108,84 94,0 0,8 93,0 2.3.1 Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ (Δ') Do nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi áp suất: t0sdd – t0sdm Ta sử dụng công thức Tisencô: - T r ’ ’ f = 16,2 s (VI.10/59-) Trong đó: Δ’0 : tổn thất nhiệt độ nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi áp suất thường Ts : nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất áp suất cho, K r : là ẩn nhiệt hóa dung mơi ngun chất áp suất làm việc, J/kg Dựa vào bảng (VI.2/67 – [2]) ta biết tổn thất nhiệt độ Δ’ theo nồng độ a (%kl) Bảng 2.2: Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ nồi Nồng độ dd (%kl) ’ () Nồi Nồi Nồi 7,05 11,59 30 1,21 1,7 10,5 Dựa vào (I.251/314 – [1]) ta xác định nhiệt hóa r theo áp suất thứ: Bảng 2.3: Nhiệt độ hóa theo áp suất thứ nồi Nồi Nồi Nồi Áp suất làm việc (at) 2,55 1,46 0,83 Nhiệt hóa hơi, r.10-3 J/kg 2191,35 2234 2272,4 Vậy, ta tính tổn thất nhiệt độ nồng độ theo công thức trên: Bảng 2.4: Sự phân bố nhiệt độ thứ, hệ số hiệu chỉnh tổn thất nhiệt độ nồi Nhiệt độ thứ, K Hệ số hiệu chỉnh, f Tổn thất nhiệt độ, ’ Nồi 399,98 1,18 0,53 Nồi 382,84 1,06 0,85 Nồi 367 0,96 2,98 Suy tổng tổn thất nhiệt độ nồng độ hệ thống: ΣΔ’ = 4,36 oC 2.3.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh (Δ’’) Trong lòng dung dịch, xuống sâu nhiệt độ sôi dung dịch tăng áp lực cột chất lỏng Hiệu số dung dịch ống truyền nhiệt mặt thoáng gọi tổn thất nhiệt dộ áp suất thuỷ tĩnh 10 Suy ra: Ght = Vht.ρ.g = 5,29.1,37.9,81 = 71,09 (N) Trọng lượng hơi: Gh = Ghd + Ght = 161,03 (N) 2.11.9 Trọng lượng lớp cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt bơng thủy tinh có ρ = 200 (kg/m3) Tính trọng lượng lớp cách nhiệt cho buồng đốt buồng bốc theo CT: Gcn = .g.H Với: Dn, Dt đường kính ngồi lớp cách nhiệt Trọng lượng lớp cách nhiệt buồng đốt: Dn = 0,912+ 2.0,012 = 0,936 (m); Dt = 0,912 (m) Suy ra: Gcn1 = 200.9,81.3.3,14 = 204,93 (N) Trọng lượng lớp cách nhiệt buồng bốc: Dn = 1,004 + 2.0,010 = 1,024 (m); Dt = 1,004 (m) 1,024 − 1,004 Suy ra: Gcn2 = 200.9,81.3.3,14 = 187,41 (N) Vậy tổng trọng lượng lớp cách nhiệt: Gcn = 392,34 (N) Bảng 2.25: Tải trọng thiết bị thân 1453,7 ống TN ống tuần hoàn 7689,6 Dung dich Vỉ Đáy Nắp Bích Hơi Cách nhiệt 10458,3 2910,9 598,41 465,90 4526,7 323,65 392,34 50 51 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ 3.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet 3.1.1 Lượng lạnh cần thiết cung cấp cho thiết bị ngưng tụ Lượng nước lạnh cần thiết cho trình ngưng tụ tính theo cơng thức: Gn = W2.(i − Cn t2c ) Cn (t2c − t2d ) ( kg/s) (VI.51/84 – [2]) Trong - W: lượng ngưng vào thiết bị ngưng tụ, kg/h Gn: lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, kg/h i: nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) ngưng, J/kg t2đ, t2c: nhiệt độ đầu cuối nước lạnh 0C Cn: nhiệt dung riêng trung bình nước, J/kg.độ Ta chọn: t2đ = 250C, t2c = 400C W = W3 = = 0,30305 (kg/s) i = 2609,59.103 (J/kg); Cn = 4178 (J/kg.độ) → Gn = 3.1.2 = 12,5989 (kg/s) Lượng khơng khí khí khơng ngưng cần hút khỏi thiết bị Lượng khí khơng ngưng khơng khí cần hút cụ thể là: - Có sẵn thứ Rị rỉ vào qua lỗ hở thiết bị Hòa tan nước làm lạnh Chính lượng vào thiết bị ngưng tụ làm giảm độ chân không, áp suất riêng phần hàm lượng tương đối hỗn hợp giảm, đồng thời làm giảm hệ số truyền nhiệt đốt Vì cần liên tục hút khí khơng ngưng khơng khí khỏi thiết bị Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lương khí khơng cà khơng khí hút khỏi thiết bị tính theo cơng thức: Gkk = 0,025.10-3.W + 0,025.10-3.Gn + 0,01.W , kg/s (VI 47/84 – [2]) = 0,025.10-3.(0,30305 + 12,5989) + 0,01 x 0,30305 = 0,003353 (kg/s) Khi thể tích khơng khí 00C 760 mmHg cần hút là: Vkk = 0,001.[0,02(W + Gn ) + 8W] (m3/s) (VI.48/84 – [2]) = 0,001.[0,02.(0,30305 + 12,5989) + x 0,30305] = 0,002682 (m 3/s) 3.1.3 Đường kính thiết bị ngưng tụ Đường kính thiết bị ngưng tụ xác định theo ngưng tụ tốc độ qua thiết bị Tốc độ phụ thuộc cách phân phối nước thiết bị, tức độ lớn tia nước Thiết bị làm việc áp suất 0,8 (at) nên tốc độ lựa chọn khoảng 15 (m/s) Thực tế người ta lấy suất thiết bị gấp 1,5 lần so với suất thực Khi đó, đường kính thiết bị tính theo cơng thức 52 W ρ ϖ h h Dtr=1,383 Với (m) (VI.52/84 – [2]) Dtr: đường kính thiết bị ngưng tụ, m W: lượng ngưng tụ, kg/s W = 0,7 m3/s ρh: khối lượng riêng hơi, kg/m3, tra bảng (I.251/314 – [1]), ρh =0,4699 (kg/m3) ωh: tốc độ thiệt bị ngưng tụ, (m/s) chọn ωh = 15 (m/s) → W ρ ϖ h h= Dtr=1.383 = 0,287 (m) Chọn Dtr = 290 (mm) 3.1.4 Kích thước ngăn Để đàm bảo cho thiết bị làm việc tốt, ngăn phải có dạng hình viên phân, chiều rộng ngăn xác định theo công thức sau: b = Dtr + 50, mm (VI.53/85 – [2]) Với Dtr: đường kính thiết bị ngưng tụ, → b = (mm) + 50 = 190 (mm) Trên ngăn có nhiều lỗ nhỏ, lấy nước làm nguội nên chọn đường kính lỗ mm Chiều cao gờ cạnh ngăn h0 = 40 (mm) Chiều dày ngăn δ = (mm) Tổng diện tích bề mặt lỗ toàn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ nghĩa cặp ngăn Gn f = ωc , Với ωc : (m2) (VI.54/85 – [2]) Gn : phụ thuộc vào nước ngưng tụ thay đổi (15-60)W tốc độ tia nước, chọn ωc = 0,62 (m/s) ứng với chiều cao gờ ngăn 0,04 (m) ρn = 994,6 (kg/m3) (bảng I.249/310 – [1] Lấy nhiệt độ trung bình đầu vào đầu nước 30,5 0C) 53 f → = = 0,0204 (m2) Các lỗ ngăn xếp theo hình lục giác nên ta xác định bước lỗ công thức: T = 0,866.d fo ftb (mm) (VI.55/85 – [2]) Với d: đường kính lỗ, (mm) fo f tb : tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích thiết bị ngưng tụ, thường lấy 0,025 – 0,1 Ta chọn fo f tb = 0,1 fo → t = 0,866.d ftb = 0,886.2 0,1 = 0,55 (mm) 3.1.5 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 thời gian lưu nước thiết bị ngưng tụ Mức độ đun nóng nước xác định cơng thức : P= (VI.56/85 – [2]) Với: t2đ, t2c : nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối nước tưới vào thiết bị, 0C tbh: nhiệt độ nước bão hòa ngưng tụ, 0C → P= = 0,22 Tra bảng (VI.7/86 – [2]), ta có : - Số bậc: Số ngăn: Khoảng cách ngăn: 300 (mm) Thời gian rơi qua bậc : 0,35 (s) Tra bảng (VI.8/88 – [2]), ta có: - Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị: 1300 (mm) Khoảng cách từ ngắn cuối đến đáy thiết bị: 1200 (mm) Chiều cao tổng hệ thống thiết bị: 4300 (mm) Chiều rộng hệ thống thiết bị: 1300 (mm) Bề rộng ngăn: 400 (mm) 54 - Chiều cao thiết bị thu hồi : 1440 (mm) Chiều cao dự trữ 0,5 (m) để ngăn ngừa nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn khí áp suất khí tăng 3.1.6 Kích thước ống baromet Áp suất thiết bị 0,8 (at) để tháo nước ngưng tụ ngưng tụ cách tự nhiên cần phải có ống baromet Đường kính ống baromet tính theo cơng thức : dB= 0.004(Gn + W ) ϖ π (m) (VI.57/86 –[2]) Trong đó: W: lượng ngưng, kg/s Gn: lượng nước lạnh tưới vào tháp, kg/s ω: tốc độ hỗn hợp nước chất lỏng ngưng chảy ống baromet, m/s; thường lấy ω = 0,5 – 0,6 (m/s) Chọn ω = 0,6 (m/s) dB= 0.004(Gn + W ) ϖ π = = 0,166 (m) Theo qui chuẩn d = 0,170 (m) = 170 (mm) 3.1.7 Chiều cao ống baromet Được xác định theo công thức sau: H = h1 + h2 + h3 (m) (VI.58/86 – [2]) Trong đó: h1 : chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp thiết bị ngưng tụ h1=10.33 (m) (VI.59/86 –[2]) Với: P0 : độ chân không thiết bị ngưng tụ P0 = – 0,8 = 0,2 (at) = 147,72 (mmHg) → h1 = 10,33 = (m) h2 : chiều cao cột nước ống baromet cần thiết để khắc phục tồn trở lực nước chảy ống 55 h 2= ϖ hba (λ + ∑ζ ) g dba (m) (VI.60/87 – [2]) ξ1: hệ số trở lực cục vào ống , ξ1=0.5 ξ2 : hệ số trở lực cục khỏi ống , ξ2=1 → ϖ2 H h = (2,5 + λ ) 2g d (m) Với : H : toàn chiều cao ống baromet, m d : đường kính baromet, m λ : hệ số ma sát nước chảy ống Để tính λ ta tính chuẩn số Re chất lỏng chảy ống baromet: ϖ d ρ n B µ Re = (II.58/377 – [2]) Với: d B : đường kính ống dẫn, m ρn : khối lượng riêng trung bình nước ρn = 994,6 (kg/m ) µ : độ nhớt trung bình nước khoảng 25 0C – 400C µ → = 0,773.10-3 (N.s/m2), tra bảng (I.249/310 – [1]) ϖ d ρ n B µ Re = = = 13,124.104 > 104 Vậy dòng nước ống baromet chế độ chảy xoáy Hệ số ma sát: 0,9 ∆ 6,81 = − 2lg + Re ÷ 3,7 λ (II.65/380 – [1]) Trong đó: 56 ∆ : độ nhám tương đối xác định theo công thức: ∆= ε d td (II.66/380 – [1]) Với : ε : độ nhám tuyệt đối : ε d td : đường kính tương đối ống ∆= → = 0,2 (mm) ε d td = 0,2.10−3 0,2 = 1.10-3 0,9 − 0,9 6,81 1.10 ∆ 6,81 ÷ + = − 2lg = −2lg + ÷ 2,32.105 ÷ 3,7 λ Re 3,7 λ = 6,903 → λ = 0,021 ϖ2 H h = (2,5 + λ ) 2g d B = = 0,0459 + 5,414.10-3.H Nên: Vậy : H = h1 + h2 + h3 = + 0,0459 + 5,414.10-3.H + 0,5 Suy ra: H = 2,56 (m) Chiều cao dự phòng nước dâng lên ngập thiết bị, chọn chiều cao baromet (m) 3.2 Tính tốn chọn bơm 3.2.1 Bơm chân không Ta sử dụng bơm chân không kiểu pittong để thực trình hút khí khơng ngưng khỏi thiết bị ngưng tụ baromet Về nguyên tắc làm việc, bơm chân không làm việc giống hệt máy nén khí, khác áp suất làm việc độ nén, khí hút áp suất thấp áp suất khí đẩy áp suất lớn áp suất khí Cách lắp đặt bơm chân không theo sơ đồ sau: 57 – bể chứa dung dịch – thùng giãn khí – thùng chứa – bơm chân không – phận tách bọt – bơm dung dịch Quá trình hút coi q trình đa biến (có trao đổi nhiệt với môi trường phụ thuộc nhiều vào yếu tố) Công suất bơm: m−1 P m m ÷ N= P V − 1 m − 1 P ÷ (III 69/171 –[3]) Trong đó: - P1, P2 áp suất khí điểm hút đẩy, N/m2 V1 : thể tích khí hút được, m3/s m : số đa biến, lấy m = 1,25 Áp suất làm việc thiết bị baromet : P = 0,8 (at) Áp suất nước nhiệt độ 400C: Ph = 0,0752 (at), tra bảng (I.250/312 – [1]) → P1 = P – Ph = 0,8 – 0,0752 = 0,7248 (at) m−1 m P m ÷ N= P V − 1 m − 1 P ÷ = 1,25−1 1,25 1,033 1,25 − 1 0,7248.9,81.104.0,00961 ÷ 1,25 − 0,7248 = 248,76 (W) 58 Công suất động cơ: N N dc η η tr β = dc (W) Trong đó: ηtr η : hiệu suất truyền động, lấy tr = 0,95 η η dc : hiệu suất động cơ, lấy dc = 0,95 β : hệ số dự trữ công suất, lấy β = 1,15 - N → N dc η η tr β = dc = 248,76 1,15 0,95.0,95 = 316,98 (W) 3.2.2 Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị baromet Ta dùng bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị, cơng suất bơm tính theo cơng thức: N= Q.ρ g.H 1000η , (kW) (II.189/439 – [1]) Trong đó: - Q: suất bơm, m3/s ρ : khối lượng riêng bơm (ở 25 C), ρ = 996,9 (kg/m3) g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s ) H: áp suất toàn phần bơm, m η : hiệu suất chung bơm, chọn η G Q= n ρ = 0,85 5,343 = 996,9 = 0,00536 (m3/s) Áp suất toàn phần bơm: P −P H= H ρ g + + hm ,(m) (II.185/438 – [1]) Với: 59 - P1 , P2 : áp suất bề mặt chất lỏng không gian đẩy hút, N/m 2, P1 (at); P2 = (at) - hm : áp suất để thắng toàn trở lực đường hút đẩy, m - H : chiều cao đưa chất lỏng lên tháp, H (Với: H h : chiều cao hút; H d = Hh + Hd = Hh + Hd : chiều cao đẩy,m) Ở 250C chiều cao hút thường H0 = 0,2 Hh = (m); Hd = H B = 10 (m) = + 10 = 15 (m) d= Đường kính ống hút đẩy: 4W π ω ρ ,(m) Trong đó: Gn = 5,343 (kg/s) - W: lượng nước ống, W = - : vận tốc ống, coi vận tốc ống hút đẩy 2,5 (m/s) ω d= → 4W 4.5,343 π ω ρ = 3,14.2,5.996,9 = 0,052 (m) Chọn đường kính ống đẫn d = 0,06 (m) l ω hm = λ + ∑ ζ ÷ h d 2.g , (m) m Tính : Trong đó: - l: chiều dài toàn bộ, chọn l = 20 (m) d: đường kính ống, d = 0,06 (m) - λ : hệ số ma sát - ∑ ζ : trở lực chung Vậy vận tốc thực nước ống: 60 ω= Q 5,343 ρ 0,785.d = 996,9.0,785.0,062 = 1,90 (m/s) Hệ số ma sát dược xác định qua chế độ chảy Re Re = ω d ρ n µ Với: µ : độ nhớt nước 250C, Re = → ω d ρ n µ µ = 0,8937.103 (N.s/m3) 1,90.0,06.996,9 −3 = = 0,8937.10 = 127164 > 104 Trong ống có chế độ chảy xốy Do đó, ta có cơng thức sau 0,9 ∆ 6,81 = − 2lg + Re ÷ 3,7 λ (II.65/380 – [1]) Với : ∆ : độ nhám tương đối dược xác định theo công thức: d Trong đó: → → λ = 0,2 (mm) ε 0,2.10 − d td = 0,1 = 2,10-3 6,81 0,9 ∆ = − 2lg ÷ + Re 3,7 λ → ε d td td : đường kính tương đối ống ε : độ nhám tuyệt đối, ε ∆= ∆= = 6.33 = 0.025 Tổng trở lực: Trở lực cửa vào: ζ = 1; trở lực cửa ra: ζ =1,tra bảng (N010/385 – [1]) 61 Trở lực khuỷu ống: Van tiêu chuẩn: ∑ζ ζ = 4,5 (D= 60 (mm), tra bảng (N037/399 – [1]) = + + 1,61 + 4,5 + 1,37 = 12,48 1,90 20 + 12,48 ÷ 0,025 0,06 2.9,81 = 2,02 (m) = hm → = 1,61 (3 khuỷu, góc 900, tra bảng ( N032/395 – [1]) ζ = 1,37 ( D = 60 (mm), tra bảng (N046/399 – [1]) Van chiều: Vậy ζ3 Áp suất toàn phần bơm : ( 0,2 − 1) 9,81.104 H = 996,9.9,81 + 15 + 2,02 = (m) N= Công suất bơm : Q.ρ g.H 0,00536.996,9.9,81.9 1000η = 1000.0,85 = 0,555 (KW) N Công suất động điện: N → N dc η η tr dc = = N dc η η tr dc = (II.190 – [1]) 0,555 0,95.0,95 = 0,615 (KW) Người ta thường lấy động có cơng suất lớn cơng suất tính tốn để tránh tượng q tải, Chọn hệ thống dự trữ → Ntt = β = 1,2 β Ndc = 1,2.0,615 = 0,738 (KW) 3.2.3 Bơm ly tâm bơm dung dịch vào thùng cao vị Chọn bơm ly tâm, dung dịch ban đầu có nhiệt độ 25 0C nồng độ đầu 12% Khi đó: ρ CuSO = 1130 (kg/m3), tra bảng (I.37/39 – [1]) µ CuSO = 1,3580.10-3 (N.s/m2), tra bảng (I.105/97 – [1]) Chọn tốc độ ống hút đẩy 1(m/s) 62 d= Đường kính ống hút đẩy: 4.Gd π w.ρ Trong đó: Gd : lượng dung dịch đầu: Gd = 2000 (kg/h) 4.2000 d= 3,14.1.1130.3600 = 0,025 (m) → Chọn d = 30 (mm), vận tốc thực 0,995 (m/s) l ω Hm = λ + ∑ ξ ÷ H d 2.g , (m) m Tính : Hệ số ma sát tính qua chế độ chảy Re: Re = ω d ρ dd µ = 0,995.0,025.1130 1,3580.10− = 20699 >104 Chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát tính theo cơng thức: 6,81 0,9 ∆ = −2lg ÷ + Re 3,7 λ Ta có: ∆= ε d = 0,2.10−3 30.10−3 = 6,667.10-3 6,81 0,9 6,667.10− = − 2lg ÷ + 20699 3,7 λ → λ (II.65/380 – [1]) = 5,19 = 0,037 Trở lực chung lấy phần tính bơm nước vào baromet: 63 ∑ ζ = 12,48 (m) 20 0,9952 H m = 0,037 + 12,48 ÷ 0,03 2.9,81 = 1,874 (m) Vậy Chiều cao ống hút xem ( bể chứa dung dịch đặt độ cao với bơm Hd Chiều cao ống đẩy: = 15 (m) Mặt thoáng chất lỏng thùng chứa thùng cao vị có áp suất tương đương nhau, P tức h = Pd ,nên áp suất toàn phần bơm là: H = Hd + Hm = 15 + 1,874 = 16,874 (m) Công suất bơm: G ρ g.H N= d 1000η = 2000.9,81.16,874 1000.0,85.3600 = 0,108 (KW) Công suất động điện: N dc = N ηtr ηdc = 0,108 0,95.0,95 = 0,12 (KW) (II.190 –[1]) Theo thực nghiệm thường lấy động có cơng suất lớn cơng suất tính tốn để tránh tượng tải Chọn hệ số dự trữ → N = β Ndc β = 1,2 =0,144 (KW) 3.3 Thiết bị gia nhiệt dung dịch đầu Trong tất hệ thống cô đặc công nghiệp, để giảm chi phí lượng sử dụng tối ưu chi phí, người ta sử dụng thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu loại ống chùm, có nhiệm vụ nâng nhiệt độ dung dịch lên đến nhiệt độ sôi trư ớc vào nồi hệ thống cô đặc Ta tính tổng quan bề mặt truyền nhiệt, số ống, đường kính thiết bị , cách chia ngăn thiết bị gia nhiệt 3.3.1 Tính kiện ban đầu Ta sử dụng nước at để gia nhiệt Nhiệt độ nước at: 142,90C Nhiệt độ dung dịch ban đầu: 250 Sự biến đổi nhiệt độ luư chất biểu diễn đồ thị: 64