cô đặc 2 nồi ngược chiều

ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác Một hóa chất sản xuất sử dụng nhiều NaOH khả ứng dụng rộng rãi Trong quy trình sản xuất NaOH, trình cô đặc khâu quan trọng Nó đưa dung dịch NaOH đến nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, tạo điều kiện cho trình kết tinh cần Nhiệm vụ cụ thể tập lớn tính toán hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều, ống tuần hoàn trung tâm (dài 2m), cô đặc dung dịch NaOH vào thiết bị nhiệt độ sôi, nhập liệu 5000kg/h với nồng độ đầu 5% (khối lượng) đến nồng độ cuối 25%(khối lượng) áp suất đốt nồi 5at, áp suất ngưng tụ la 0,2at Chương TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC I Giới thiệu chung natri hydroxit (NaOH) Tính chất vật lí hóa học NaOH: Natri hydroxyt khối tinh thể không suốt có màu trắng, không mùi Dễ tan nước, tan nhiều rượu không tan ete NaOH có trọng lượng riêng 2,02 Độ pH 13,5 Nhiệt độ nóng chảy 327,6 ± 0,9oC Nhiệt độ sôi 1388oC Hấp thụ nhanh CO2 nước không khí, chảy rữa biến thành Na2CO3 NaOH bazơ mạnh; có tính ăn da, khả ăn mòn thiết bị cao; trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động Ngoài ra, NaOH có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt hòa tan vào nước nên hòa tan NaOH cần phải dùng nước lạnh Người ta biết số hiđrat NaOH.H 2O, NaOH.3H2O NaOH.2H2O Nước hiđrat hoàn toàn chúng nóng chảy Điều chế ứng dụng: Trong phòng thí nghiệm: + Natri tác dụng với nước 2Na + 2H2O > 2NaOH + H2 + Natri oxit với nước 2NaO + H2O > 2NaOH Trong công nghiệp: Trước kia, người ta điều chế NaOH cách cho canxi hiđroxit tác dụng với dung dịch natri cacbonat loãng nóng: Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3 Ngày người ta dùng phương pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hòa: 2NaCl + 2H2O dòng điện Cl2 + H2 + 2NaOH NaOH dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm dược phẩm, làm khô khí thuốc thử thông dụng phòng thí nghiệm hóa học II.Sơ lược trình cô đặc Cô đặc trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay hơi, nhiệt độ sôi với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể - Thu dung môi dạng nguyên chất Quá trình cô đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), hệ thống thiết bị cô đặc hay hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó: Cô đặc chân không dùng cho dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy nhiệt Cô đặc áp suất cao áp suất khí dùng cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao dung dịch muối vô cơ, để sử dụng thứ cho cô đặc cho trình đun nóng khác Cô đặc áp suất khí thứ không sử dụng mà thải không khí Đây phương pháp đơn giản không kinh tế Trong công nghiệp hóa chất thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi trình cô đặc, đặc điểm trình cô đặc dung môi tách khỏi dung dịch dạng hơi, dùng chất hòa tan dung dịch không bay hơi, nồng độ dung dịch tăng dần lên, khác với trình chưng cất, trình chưng cất cấu tử hỗn hợp bay khác nồng độ hỗn hợp Hơi dung môi tách trình cô đặc gọi thứ, thứ nhiệt độ cao dùng để đun nóng thiết bị khác, dùng thứ đung nóng thiết bị hệ thống cô đặc ta gọi phụ Quá trình cô đặc tiến hành thiết bị nồi nhiều nồi làm việc gián đọan liên tục Quá trình cô đặc thực áp suất khác tùy theo yêu cầu kỹ thuật, làm việc áp suất thường (áp suất khí quyển) dùng thiết bị hở; làm việc áp suất khác dùng thiết bị kín cô đặc chân không (áp suất thấp) có ưu điểm là: áp suất giảm nhiệt độ sôi dung dịch giảm, hiệu số nhiệt độ đốt dung dịch tăng, nghĩa giảm bề mặt truyền nhiệt Cấu tạo thiết bị cô đặc: Trong công nghệ hóa chất thực phẩm loại thiết bị cô đặc đun nóng dùng phổ biến, loại gồm phần chính: a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch b) Bộ phận bốc (phòng bốc hơi) phòng trống, thứ tách khỏi hỗn hợp lỏng – dung dịch sôi (khác với thiết bị có phòng đốt) Tùy theo mức độ cần thiết người ta cấu tạo thêm phận phân ly – lỏng phòng bốc ống dẫn thứ, để thu hồi hạt dung dịch bị thứ mang theo Về phân loại phân loại thiết bị theo cách: - Theo phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng, loại nghiêng - Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm - Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng dòng điện, khói lò, nước, chất tải nhiệt đặc biệt - Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, Lựa chọn thiết bị: Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc nồi, làm việc ngược chiều, có ống tuần hoàn tâm Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn tâm có ưu điểm là: Cấu tạo đơn giản dể sửa chửa làm Khi làm việc dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng, có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống, ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt lượng tạo ống hơn.Vì khối lượng riêng khối hơi-lỏng lớn ống truyền nhiệt,sẽ bị đẩy xuống dưới.Kết thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn Chương TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ I Tính cân vật liệu: Thông số số liệu ban đầu: Dung dịch cô đặc: NaOH Nồng độ dung dịch đầu: 5% Nồng độ dung dịch cuối: 25% Năng suất ban đầu dung dịch: 5000 kg/h Lượng dung môi nguyên chất bốc (lượng thứ) nồng độ dung 1.1 dịch thay đổi từ xd đến xc Phương trình cân vật liệu cho toàn hệ thống: Gđ= Gc+ W (1) Trong đó: Gđ, Gc lượng dung dịch đầu cuối (kg/h) W: lượng thứ thoát toàn hệ thống (kg/h) Viết cho cấu tử phân bố: Gđ.xđ= Gc.xc+ W.xw Trong đó: xđ, xc nồng độ dung dịch vào nồi đầu nồi cuối (% khối lượng) xem lượng thứ không mát ta có: Gđ.xđ= Gcxc (2) Gc= Gđ xđ 5000.5 = = 1000(kg / h) xc 25 Vậy lượng thứ thoát toàn hệ thống: W=Gd(1- 1.2 xd ) = 5000.(1- ) = 4000 (kg/h) xc 25 Trong đó: Gd : lượng dung dịch ban đầu Xd, Xc: nồng độ đầu, cuối dung dịch (% khối lượng) Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi Ta có: W= W1+ W2=4000(kg/h) (1) Để đảm bảo việc dùng toàn thứ nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất lưu lượng thứ nồi thích hợp Giả sử chọn tỉ số thứ bốc lên từ nồi : W1 = 1,1 (2) W2 Từ (1) (2) ta có hệ phương trình: W + W   W1  W = 1,1  2 = 4000 Giải hệ ta có kết quả: W1 = 2095,24 (kg/h) W2 = 1904,76 (kg/h) Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi 1: X1 = Gd X d 5000.5 = = 25% Gd − (W1 + W2 ) 5000 − 4000 Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi 2: X2 = Gd X d 5000.5 = =8,6% Gd − W1 5000 − 2095,24 Trong đó: X1, X2: nồng độ cuối dung dịch nồi (% khối lượng) W1, W2 : lượng thứ bốc lên từ nồi (kg/h) Gd : lượng dung dịch đầu (kg/h) Xd: nồng độ đầu dung dịch (% khối lượng) II Cân nhiệt lượng 2.1 Xác định áp suất nhiệt độ nồi Gọi P1, P2, Pnt áp suất nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ ∆P1: hiệu số áp suất nồi so với nồi ∆P2: hiệu số áp suất nồi so với thiết bị ngưng tụ ∆Pt: hiệu số áp suất hệ thống Giả sử chọn: Áp suất đốt vào nồi 1: P1=5 at Áp suất thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt= 0,2 at Khi hệ số áp suất cho hệ thống cô đặc là: ∆Pt = P1-Pnt= 5-0,2=4,8 at ∆P1 Chọn tỉ số phân phối áp suất nồi là: ∆P2 = 1,5 (3) Kết hợp với phương trình ∆P1+∆P2= ∆Pt= 4,8at (4) Từ (3) (4) suy ra: ∆P1= 2,88(at) ∆P2= 1,92 (at) P2= P1- ∆P1= 5-2,88=2,12 (at) 2.2 Xác định nhiệt độ nồi Gọi: thd1, thd2, tnt nhiệt độ vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ tht1, tht2 nhiệt độ thứ khỏi nồi 1, Giả sử tổn thất nhiệt độ đường ống từ nồi sang nồi 10C tht1= thd2+ tht2= tnt+ Tra bảng : I 250, STQTTB, T1/ Trang 312 I 251, STQTTB, T1/ Trang 314 Bảng 2.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) dòng Loại Nồi Áp suất Nhiệt độ (at) (oC) Nồi Áp suất (at) Nhiệt độ (oC) Hơi đốt 2,12 121,39 151,1 Tháp ngưng tụ Áp suất Nhiệt (at) (oC) 0,2 Hơi thứ 2,88 122,39 1,92 độ 59,7 60,7 2.3 Xác định tổn thất nhiệt độ Tổn thất nhiệt độ hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất đường ống, tổn thất áp suất thủy tĩnh tổn thất trở lực đường ống 2.3.1 Tổn thất nhiệt nồng độ gây (∆’) Ở áp suất, nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất Hiệu số nhiệt độ sôi dung dịch dung môi nguyên chất gọi tổn thất nhiệt nồng độ gây Ta có: ∆'= t0sdd- t0sdmnc (ở áp suất) Áp dụng công thức Tisenco: ∆'= ∆'o f Với f =16,2 × Trong ∆'o : tổn thất nhiệt độ tsdd > tsdm áp suất thường f: hệ số hiệu chỉnh Ts : nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất (oK) r: ẩn nhiệt hóa nước áp suất làm việc (J/kg) Bảng 2.2: Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/Trang 67 Nồi Nồi Nồng độ dung dịch (% khối lượng) 25 8,6 ∆'o (oC) 12,2 2,30 Bảng 2.3: Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314 Nồi Nồi Áp suất thứ (at) 2,88 1,92 Nhiệt hóa r (J/kg) 2175,44.103 2211,6.103 Nồi 1: ∆'1= ∆'0 × 16,2 × Nồi 2: ∆'2= ∆'0 × 16,2 × (Ts + 273) (122,39 + 273) = 12,2 × 16,2 × = 14,20C r1 2175,44.10 ( Ts + 273) r2 = 2,3 × 16,2 × ( 60,7 + 273) 2211,6.10 = 1,880C Vậy tổng tổn thất nhiệt độ nồng độ toàn hệ thống: ∆'= ∆'1+∆'2= 14,2+ 1,88= 16,080C 2.3.2 Tổn thất nhiệt áp suất thủy tĩnh (∆’’ ) Nhiệt độ sôi dung dịch cô đặc tăng cao hiệu ứng thủy tĩnh ∆ "(tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh tăng cao): Áp suất thủy tĩnh lớp khối chất lỏng cần cô đặc: Ptb = P0 + (∆h + h ) ρ dds ⋅ g (N/m2) h Hay Ptb = P0 + ( ∆h + ) ρ dds g (at) 9,81.104 Trong đó: P0 : áp suất thứ mặt thoáng dung dịch (N/m2) ∆h : chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch (m) h : chiều cao ống truyền nhiệt (m) ρ dds : khối lượng riêng dung dịch sôi (kg/m3) g :gia tốc trọng trường (m/s2), g=9,81 m/s2 ∆ " = ttb – t0 , độ; Vậy ta có: Ở đây: ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C; t0 - nhiệt độ sôi dung môi ứng với áp suất p0, 0C Bảng 2.4: Tra bảng I.22 STQTTB T1/34 Nồi i Hơi đốt x% 25 8,6 to(0C) 121,39 60,7 151,1 p0(at) 2,12 1,92 ρdd ρdds 1208,845 626,2 1249,53 521,4 Chọn h= m (cho nồi) ∆h= 0,5 m (cho nồi) Áp suất thủy tĩnh nồi: h Nồi 1: Ptb1 = P0 + ( ∆h + ) ρ dds g (N/m2)     h 2   ∆h +  ρ dss1 g    0,5 + .626,2.9,81     = 2,88 +    = 2,97 at Ptb1 = Po +   , 81 10 , 81 104         h Nồi 2: Ptb = P0 + ( ∆h + ) ρ dds g (N/m2)     h 2   ∆h +  ρ dss g    0,5 + .521,40.9,81    = 1,92 +    = 2at Ptb1 = Po +   , 81 10 , 81 10         Để tính t0s dung dịch NaOH ứng với Ptb ta dùng công thức BaBo ( P )t = K Ps Trong đó: P: áp suất bão hoà dung môi nguyên chất Ps: áp suất dung môi nguyên chất áp suất thường Tra STQTTB1 /236 & 311 Nồng độ dung dịch nồi 1: 25%; nhiệt độ sôi t 0s=113,120C nhiệt độ áp suất bão hòa nước 1,63 at Nồi 1: P = ⇒ Ps = P.1,63 Ps 1,63 P= Ptb1 ⇒ Ps1= 1,63 × 2,97= 4,84at ⇒ t0tb1= 149,88 0C P=P0 ⇒ Pos1= 1,63.2,88=4,69 at ⇒ t0s1= 148,66 oC ⇒ ∆"1= t0tb1- t0s= 149,88-148,66=1,22 0C Tra STQTTB1 /236 & 311 Nồng độ dung dịch nồi 2: 8,6%, nhiệt độ t 0s=102,440C nhiệt độ áp suất bão hòa nước 1,13 at P Nồi 2: P = 1,13 ⇒ Ps = P.1,13 s P=Ptb2 ⇒ Ps2= 1,13.2=2,26 at ⇒ t0tb2=123,44 0C P=P0 ⇒ P0s2= 1,13.1,92=2,17at ⇒ t0s2= 122,12 0C ⇒ ∆"2= t0tb2- t0s2= 123,44-122,12=1,320C Vậy tổng tổn thất áp suất thủy tĩnh: ∆"= ∆"1+∆"2= 1,22+1,32=2,540C 2.3.3 Tổn thất nhiệt độ đường ống gây Chọn tổn thất nhiệt độ nồi 10C Tổn thất nhiệt độ đường ống gây cho hệ thống: ∆"' = 20C 2.3.4 Tổn thất nhiệt độ hệ thống ∑∆= ∆'+∆"+∆"' = 16,08+2,54+ = 20,620C 2.3.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích nồi hệ thống Chênh lệch nhiệt độ hữu ích nồi: Nồi 1: ∆ti1= thd1- thd2 - ∑∆1 = 151,1-121,39-(14,2+1,22+1)=13,290C Nồi 2: ∆ti2= thd2- tnt- ∑∆2 =121,39-59,7-(1,88+1,32+1)=57,49 0C Nhiệt độ sôi thực tế: Nồi 1: ∆ti1= thd1- ts1 ⇒ ts1= thd1 - ∆ti1=151,1-13,29=137,810C Nồi 2: ∆ti2=thd2- ts2 ⇒ ts2= thd2- ∆ti2= 121,39-57,49=63,9oC Chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho hệ thống: ∆hi= thd1- tnt- ∑∆= 151,1-59,7-20,62=70,780C Nồi [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ∆' o C ∆' ' o C ∆' ' ' o C ∆T o C ts o C 14,2 1,88 1,22 1,32 1 13,29 57,49 137,81 63,9 10 Trong đó: A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết chất lỏng nước Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp chất lỏng (J/kg độ) ρ: khối lượng riêng (kg/m3) M: khối lượng mol chất lỏng Chọn A= 3,58.10-8 Ta có: M=mi.Mdd+(1-mi).Mnước xi M dd Mà: mi = x − xi i + M dd M H 2O Nồi 1: 0,25 40 mi1 = = 0,13043 0,25 − 0,25 + 40 18 ⇒ M1= 0,13043.40+(1-0,13043).18=20,87 ⇒ λ1 = 3,58.10− 8.3142,83.1208,49.3 1208,49 = 0,526 (W/m.độ) 20,87 0,086 = 0,04062 Nồi 2: mi = 0,086 40 − 0,086 + 40 18 ⇒ M2=0,04062.40+(1-0,04062).18=18,89 ⇒ λ2 = 3,58.10− 8.3829,66.1249,53.3 1249,53 = 0,693 (W/m.độ) 18,89 3.3 Hệ số cấp nhiệt 3.3.1 Về phía ngưng tụ: (α1) Công thức V.101 STQTTB T2/ trang 28: α1 = 2,04 A r h.∆t1 Với r: ẩn nhiệt ngưng (J/kg) H: chiều cao ống truyền nhiệt ( chọn H= 2m) A= ρ 2λ : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tm µ tm= 0,5(tT1+thd) ∆t1=thd- tT1 15 Nồi 1: Chọn ∆t11= 2,10C ⇒ tT11= thd1- ∆t11= 151,1- 2,1= 1490C ⇒ tm1= 0,5.(149+ 151,1)= 150,050C Tra STQTTB T2/trang 29 ta có: A1= 195,5075 Tra bảng I.250 STQTTB T1/ trang 312 Từ thd1= 151,10C suy r1= 2116,59.103 (J/kg) α11 = 2,04.195,5075.4 2116,59.103 = 10626,505 (W/m2.độ) 2.2,1 ⇒ q11 = α11 ∆t11 = 10626,505.2,1 = 22315,6605 (W/m2) Nồi 2: Chọn ∆t12= 1,950C ⇒ tT12= thd2- ∆t12= 121,39- 1,95= 119,440Ct ⇒ tm2= 0,5.(121,39+ 119,44)= 120,4150C Tra STQTTB T2/trang 29 ta có: A2= 188,1245 Tra bảng I.250 STQTTB T1/ trang 312 Từ thd2= 121,390C suy r2= 2712,946.103 (J/kg) ⇒ α12 = 2,04.188,1245.4 2712,946.103 = 11083,31 (W/m độ) 2.1,95 ⇒ q12 = α12 ∆t12 = 11083,31.1,95 = 21612,4545 (W/m2) 3.3.2 Về phía dung dịch sôi Ta có: α2 =ϕ.αn Với: ϕ hệ số hiệu chỉnh α n hệ số cấp nhiệt nước Mà theo công thức VI.27, STQTTB, T2/Trang 71  λd Ta có: ϕ =  λ  n , 565      ρ d   ρ   n      Cd  C  n   µn .  µ  d     , 435 Theo CT V.91, STQTTB, T2/Trang 26 α n = 0,145.∆t 22,33 p 0,5 W/m2.độ Trong đó: λdd , ρ dd , Cdd , µdd hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng độ nhớt dung dịch λn , ρ n , Cn , µn hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng độ nhớt nước Ta có: ∑ r = r1 + r2 + r3 16 Chọn theo bảng V.I, STQTTB, T2/ Trang ∑r = r + δ + r3 λ Trong đó: r1: nhiệt trở lớp nước ngưng r2: nhiệt trở lớp cặn dung dịch bám thành ống λ : hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống truyền nhệt δ : bề dày ống truyền nhiệt ( δ =2mm) r3 : nhiệt trở qua lớp vật liệu Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt CT3 λ = 50 W/m độ Tra bảng XII.7,STQTTB, T2/ Trang 313 Chọn r1=0,232.10-3 (m2.độ/W) r3= 0,387.10-3 (m2.độ/W) ⇒ ∑r= 0, 232.10−3 + 10 −3 + 0,387.10−3 = 0,659.10 −3 50 Nồi 1: ta có: ts1= t21= 137,810C Ta có: ∆tI= q11.∑r= 22315,6605 × 0,659.10-3= 14,7060C ⇒ tT21= tT11- ∆tI= 149-14,706=134,2940C Hiệu số cấp nhiệt nước: ∆t21= tT21- t21=|134,294-137,81|=3,5160C Áp suất thứ nồi 1: Pht1= 2,88.98100=282528(N/m2) ⇒ αn1= 0,145.3,5162,33.2825280,5= 1442,755 (W/m2.độ) Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311 Ta có: Cn= 4282,401 J/kg.độ µn= 0,262.10-3 N.s/m2 λn= 68,4438.10-2 W/m.độ ρn= 928,005 kg/m3 0,526   ϕ1 =  −2   68,4438.10  , 565  1208,845   3142,83   0,262.10−      .  −   928,005   4282,401   0,4211 10   ⇒ α21= φ1.αn1= 0,77.1442,755=1110,92 (W/m2.độ) ⇒ q21= α21.∆t21= 1110,92.3,516=3905,995 (W/m2) Nên ta có: η1 = 3905,995 − 22315,6605 = 4,7% < 5% 3905,995 17 , 435 = 0,77 Vậy nhiêt tải trung bình: Q1 = q11 + q21 3905,995 + 22315,6605 = = 13110,83 (W/m2) 2 Nồi 2: ta có ts2= t22= 63,90C ∆tII = q12 ∑r= 21612,45.0,659.10-3= 14,240C ⇒ tT22= tT12- ∆tII= 119,44-14,24=105,20C Hiệu số cấp nhiệt nước: ∆t22= tT22- t22= 105,2-63,9=41,30C Áp suất thứ nồi 2: Pht2= 1,92.98100= 188352(N/m2) ⇒ αn2= 0,145.41,32,33.1883520,5= 366415,7(W/m2.độ) Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311 Ta có: Cn=4183 J/kg.độ µn=0,442.10-3 N.s/m2 λn=66,212.10-2 W/m.độ ρn=981,094 kg/m3  0,693  ϕ2 =  −2   66,21.10  , 565  1249,53   3829.66   0,442.10 −       . −   981,094   4183   0,5752.10   , 435 = 1.065 ⇒ α22= φ2.αn2= 1,065.366415,7=390232,72 (W/m2.độ) ⇒ q22= α22.∆t22=390232,72.41,3=16116611,34(W/m2) Nên ta có: η2 = 16116611,34 − 21612,45 = 1% < 5% 16116611,34 Vậy nhiệt tải trung bình: Q2 = Nồi q12 + q22 16116611,34 + 21612,45 = = 8069111,895 (W/m2) 2 ∆t1 tm o o C A C α , W / m Q, W / m λdd W / m λnc µ dd µ nc độ độ W /m N.s/m2 N.s/m2 0,262 10 −3 độ 2,1 150,05 1,95 120,41 26,64 28,88 10626,5 05 11083,3 18 13110,83 8069111,8 95 0,526 68,4438 0,4211 10−3 0,693 10−2 66,212 0,5752 10−2 10 −3 0,442 10 −3 3.4 Tính hệ số nhiệt độ hữu ích cho nồi: Xem bề mặt truyền nhiệt nồi nhau: F1= F2 nên nhiệt độ hữu ích phân bố nồi tính theo công thức VI.20 STQTTB T2/trang 68 Qi Ki ∆ t hi ( k ) = n =2 ∑ ∆ t hi ∑ i= Trong đó: ∆t hi nhiệt độ hữu ích nồi (oC ) Qi: lượng nhiệt cung cấp (W/m2) Qi = A Di ri 3600 Di lượng đốt nồi ri: ẩn nhiệt ngưng tụ Ki: hệ số truyền nhiệt Ki = 1 α1 + ∑r + (W/m2.độ) α2 Nồi 1: Q1 = K1 = D1.r1 521,988.2116,59.103 = = 306898,495 (W/m2) 3600 3600 1 + 0,659.10− + 10626,505 1110 ,92 Q Suy ra: K = = 604,87 (W/m2.độ) 306898,495 = 507,38 604,87 Nồi 2: D2 r2 2114,5.2712,946.103 Q2 = = = 1593478,98 3600 3600 K2 = = 579,852 1 −3 (W/m2.độ) + 0,659.10 + 940,719 390232,72 Q 1593478,98 Suy ra: K = 579,852 = 2748,079 n =2 ⇒∑ i =1 Qi Q1 Q2 = + = 507,38+2748,079=3255,459 Ki K1 K 19 Ta có hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống ∑thi= 70,780C Nhiệt độ hữu ích nồi là: Nồi 1: ∆thi1= 507,38 70,78 = 11,03 0C 3255,459 Nồi 2: ∆thi2= 2748,079 70,78 = 59,75 0C 3255,459 Sai số nhiệt độ hữu ích là: Nồi 1: η1 = 13,29 − 11,03 = 0,17% < 10% 13,29 Nồi 2: η = 57,49 − 59,75 = 0,039% < 10% 57,49 Các sai số so với giả thiết ban đầu nhỏ 10% nên kết cuối chấp nhận Vậy thực tế bề mặt truyền nhiệt thiết bị là: Bề mặt truyền nhiệt nồi 1: F1 = Q1 306898,495 = = 46 m2 K1.∆thi1 604,87.11,03 Bề mặt truyền nhiệt nồi 2: F2 = Q2 1593478,98 = = 46 m2 K ∆t hi 579,852.59,75 Như dựa vào F1, F2 ta thiết kế hệ thống cô đặc nồi có diện tích truyền nhiệt 46 m2 20 Chương THIẾT KẾ CHÍNH 3.1 Buồng đốt 3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt Theo bảng VI.6 STQTTB T2/trang 80 chọn loại ống truyền nhiệt có đường kính 25 × mm nên d=dt= 21mm Chọn chiều cao ống truyền nhiệt h= 2m n= F 46 = = 348,8 (ống) d t h.π 0,021.2.3,14 Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.II STQTTB T2/trang 48 Chọn n= 439 ống Chọn cách xếp ống theo hình cạnh Số hình cạnh 11 Số ống tất viên phân b=23 ống 3.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt Theo công thức V.140 STQTTB T2/ trang 49 Dt= t.(b-1)+ 4.dn Trong t bước ống, thường chọn t= (1,2- 1,5)dn Chọn t= 1,5dn ⇒ t= 1,5 × 0,025= 0,0375(m) ⇒ Dt= 0,0375.(23-1)+4.0,025=0,925 (m) Theo bảng XIII.6 STQTTB T2/trang 359 Chọn Dt= 1m 3.1.3 Bề dày buồng đốt Chọn vật liệu làm thân buồng đốt thép CT3 Bề dày buồng đốt xác định theo công thức XIII.8 STQTTB T2/ trang 360 S= Dt P + C (m) 2[ σ ] ϕ − P đó: Dt đường kính buồng đốt (m) φ: hệ số bền thành hình trụ tính theo phương dọc, chọn φ=0,95 (theo bảng XIII.8 STQTTB T2/ trang 362) C: hệ số bổ sung ăn mòn (m) P: áp suất thiết bị (N/m2) [ σ ] ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [ σ k] ứng suất giới hạn chảy [ σ c] 21 Ứng suất kéo: [σ k ] = σk η (N/m2) (Công thức XIII.1 STQTTB T2/ trang 355) nk Với: η: hệ số hiệu chỉnh, chọn η= 0,9 (Bảng XIII.2 STQTTB T2/trang 356) nk: hệ số an toàn theo giới hạn bền, nk= 2,6 (Bảng XIII.3 STQTTB T2/ trang 356) ( vật liệu hợp kim cán, rèn dập) σk: giới hạn bền kéo, σ k = 380.106 (N/m2) (theo bảng XII.4 STQTTB T2/trang 309) ⇒ [σ k ] = 380.106 0,9 = 131,54.106 (N/m2) 2, Ứng suất giới hạn chảy: σ [σ c ] = c η (N/m2) (Công thức XIII.2 STQTTB T2/trang 355) nc Với: nc= 1,5 ( bảng XIII.3 STQTTB T2 /trang 356) η: hệ số hiệu chỉnh, chọn η= 0,9 ( bảng XIII.3 STQTTB T2 /trang 356) σc: giới hạn bền chảy, σ c = 240.106 (N/m2) (bảng XII.4 STQTTB T2/trang 309) ⇒ [σ c ] = 240.106 0,9 = 144.106 (N/m2) 1,5 Ứng suất cho phép phải lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điều kiện bền, tức lấy [ σ ] = 131,54 106 (N/m2) Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn dung sai chiều dày Đại lượng C xác định theo công thức XIII.17 STQTTB T2/ trang 363 C= C1+ C2+ C3 (m) Với C1 : đại lượng bổ sung ăn mòn, C1= 1mm C2 : đại lượng bổ sung hao mòn, C2= C3 : đại lượng bổ sung dung sai chiều dày ; C3 phụ thuộc vào chiều dày vật liệu Nồi 1: áp suất làm việc thiết bị : P= Phd1= (at) = × 98100= 490500 (N/m2) 22 1,315.108 σ Ta có: ϕ = 0,95 = 254,69 > 50 bỏ qua đại lượng P p 490500 mẫu Nên S = 1.490500 + C = 1,96.10 −3 + C (m) 2.1,315.10 0,95 Chọn C3= 0,22(mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ trang 364) ⇒ C= C1+ C2+ C3= 1+ 0+ 0,22= 1,22 (mm)= 1,22.10-3 (m) ⇒ S= (1,96+1,22).10-3= 3,18.10-3 (m) Chọn S= 4.10-3 (m) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử công thức XIII.26 STQTTB T2/trang 365 σ= [ Dt + (S − C )] P0 ≤ σ c 2( S − C ).ϕ 1, (N/m2) Trong : Po áp suất thử tính toán theo công thức XIII.27 STQTTB T2/trang 366 Po= Pth + P1 (N/m2) Pth áp suất thử thủy tĩnh lấy theo bảng XIII.5 STQTTB T2/trang 358 Chọn Pth= 1,5.Phđ P1 áp suất thủy tĩnh nước, tính theo công thức XIII.10 STQTTB T2/360 P1= g.ρdd1.H = 9,81.626,2.2,5 = 15357,56 (N/m2) Với H chiều cao cột chất lỏng Vậy: Po= 1,5 490500+15357,56= 751107,56 (N/m2) Ta có: [(1 + (4 − 1,22).10 ].751107,56 = 1,43.10 < σ σ= −3 2.(4 − 1,22).10− 3.0.95 240.106 = = 2.108 (N/m2) 1, 1, c Vậy chọn S= 4(mm) Nồi : áp suất làm việc thiết bị : P= Phd2= 2,12.98100=207972 (N/m2) ta có : [σ ] ϕ = 1,315.108 0.95 = 600,68 > 50 ta bỏ qua đại lượng P P 207972 mẫu Nên S= 1.207972 + C = 8,32.10 − + C 2.1,315.10 0,95 Chọn C3= 0,12(mm) ( bảng XIII.9 STQTTB T2/ trang 364) ⇒ C= 1+0+0,12= 1,12 (mm)= 1,12.10-3(m) 23 ⇒ S= 8,32.10-4+ 1,12.10-3= 1,952.10-3 (m) Chọn S= 3.10-3(m) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử : Với P0= 1,5.207972+9,81.521,40.2,5= 324745,34 (N/m2) σ= [1 + ( − 1,12).10 ].324745,34 = 0,91.10 −3 2.( − 1,12) 10− 3.0,95 < 2.108 (N/m2) Vậy chọn bề dày thân buồng đốt cho nồi : S= 4(mm) 3.2 Buồng bốc 3.2.1 Đường kính buồng bốc Chọn đường kính buồng bốc Dt= 2,4m 3.2.2 Chiều cao buồng bốc Thể tích không gian xác định theo công thức VI.32 STQTTB T2/trang 71 Vkgh = W (m3) ρ h u tt Trong đó: Vkgh: thể tích không gian (m3) W: lượng thứ bốc lên thiết bị (m3) ρh: khối lượng riêng thứ (kg/m3) Utt: cường độ bốc thể tích cho phép khoảng không gian 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 cho phép P= 1at Thường utt = 1600÷1700 m3/m3.h Chọn utt = 1700 Chiều cao không gian tính theo công thức VI.34 STQTTB T2/Trang 72 H kgh = 4.Vkgh π Dt2 (m) Nồi 1: Pht1= 2,88 at tht1= 122,390C tra bảng I.250 STQTTB T1/trang 312 ⇒ ρ1= 1,415 (kg/m3) 24 Tra đồ thị VI.3 STQTTB T2/ trang 72 ta f= 0,969 utt= 0,969 × 1700= 1647,3 (m3/m3h) Vkgh1 = W1 2113,41 = = 0,907 (m3) ρ ht1utt 1,415.1647,3 H kgh1 = 4.Vkgh1 π Dt = 4.0,907 = 0,2 (m) 3,14.2,42 Nồi 2: Pht2= 1,92 at tht2= 60,7 0C tra bảng I.250 STQTTB T1/trang 312 ⇒ ρ2= 1,0653 (kg/m3) Tra đồ thị VI.3 STQTTB T2/ trang 72 Ta f= 0,9819 Vậy utt= 0,9819.1700= 1669,23(m3/m3h) Vkgh = H kgh = W2 1886,59 = = 1,06 (m3) ρ ht 2utt 1,0653.1669,23 4.Vkgh 2 π Dt = 4.1,06 = 0,234 (m) 3,14.2,4 Chọn chiều cao phần dịch sôi tràn lên buồng bốc 0,44m Vậy chọn chiều cao buồng bốc cho nồi 4,5m 25 3.2.3 Bề dày buồng bốc Vật liệu chế tạo buồng bốc thép CT3, bề dày buồng bốc tính theo công thức: S= Dt P + C (m) (công thức XIII.8 STQTTB T2/trang 360) 2.[ σ ] ϕ − P Nồi 1: Áp suất làm việc thiết bị: P=Pht1= 2,98.98100= 282,528 (N/m2) Ta có: [σ ] ϕ = 1,315.108 0,95 = 442,17 > 50 P 282,528 ta bỏ qua đại lượng P mẫu Nên S = 2,4.282,528 + C = 2,71.10−3 + C 2.1,315.10 0,95 Chọn C3= 0,18(mm) ( bảng XIII.9 STQTTB T2/ trang 364) ⇒ C= 1+0+0,18= 1,18(mm) ⇒ S=(2,71+1,18).10-3= 3,89.10-3 (m) Chọn S= 4(mm) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử công thức XIII.26 STQTTB T2/ trang 365  Dt + ( S − C )  Po σ c σ= ≤ (N/m2) 2( S − C ) ϕ 1, Với P0= 1,5.2,88.98100+9,81.626,2.2,5= 439149,56(N/m2) σ= [ 2,4 + ( − 1,18).10 ].439149,56 = 1,97.10 −3 2.( − 1,18) 10 0,95 −3 < 2.108 (N/m2) Chọn S= 3(mm) Nồi 2: Vì buồng bốc nồi làm việc áp suất chân không nên chịu tác dụng áp suất nên Nên bề dày tối thiểu thân tính theo công thức: S=1,25.Dt.( P H 0.4 ) + C (m) (công thức XIII.32 STQTTB T2/ trang E t Dt 370) Áp suất làm việc buồng bốc: P= Pht2= 1,92 (at) ⇒ Pd= 1,92-1=0,92 (at) Áp suất ngoài: Pt= 0,92 (at)= 90252 (N/m2) Kiểm tra điều kiện XIII.30 STQTTB T2/ trang 371 26 1< H 2,5 = = 1,042 < Dt 2,4 Và theo điều kiện XIII.31 STQTTB T2/ trang 371 0,4 0,4  Pn H   162355,5 4,5  = 0,047 < 0,523  t ÷ = 10 2, ÷  20.10   E Dt  Vì thỏa mãn điều kiện nên chiều dày bằng: 0,4  162355,5 4,5  S = 12,5.2,  + C = 12,511 + C 10 2,4 ÷  20.10  Chọn C3=0,8 (mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ trang 364) ⇒ C= 1+0+0,8= 1,8 (mm) ⇒ S= (12,511+1,8).10-3= 14,311.10-3 (m) Ta lấy S= 14(mm) Vậy chọn chiều dày buồng bốc cho nồi S= 14 (mm) 27 CHƯƠNG KẾT LUẬN Ở tập lớn chúng em nêu tổng quan thiết bị nguyên liệu, tính chất hóa học vật lý nguyên liệu.Sơ đồ quy trình công nghệ thuyết minh thiết bị cho cô đặc hai nồi ngược chiều dung dịch NaOH từ 5% lên 25% với nhập liệu la 5000kg/h.Đồng thời chúng em tính toán công nghệ thiết kế số thông số buồng đốt buồng bốc kết số liệu tổng hợp bảng Còn số thông số thiết kế thông số thiết bị phụ nhóm em chưa tính Trên báo cáo tập lớn nhóm chúng em.Chúng em xin chân thành cám ơn dẫn tận tình cô để chúng em hoàn thành tập lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết bị công nghệ hóa học-T1-NXB khoa học kĩ thuật [2] Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết bị công nghệ hóa học-T2-NXB khoa học kĩ thuật [3].Nguyễn Bin – Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thự phẩm-T3-XNB khoa học kĩ thuật [4].Bài giảng kỹ thuật thực phẩm-Trần Thanh Giang 28 MỤC LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .28 29 ... D1I1+(Gđ-W2)C2ts2=W1i1+(Gđ-W)C1ts1+D1Cng1θ1+0,05D1(I1-Cng1θ1) (1) Nồi 2: D2I2+GđCđtđ= W2i2+(Gđ-W2)C2ts2+D2Cng2 2+ 0,05D(I2-Cng2 2) (2) Với: D2I2=W1i1; W=W1+W2 Ta có: (2) ⇔ W1(0,95i1-C2ts2+i2-0,95Cng2 2) = Wi2+(Gđ-W)C2ts2-GđCđts2... (J/kg) 21 75,44.103 22 11,6.103 Nồi 1: ∆'1= ∆'0 × 16 ,2 × Nồi 2: ∆ '2= ∆'0 × 16 ,2 × (Ts + 27 3) ( 122 ,39 + 27 3) = 12, 2 × 16 ,2 × = 14 ,20 C r1 21 75,44.10 ( Ts + 27 3) r2 = 2, 3 × 16 ,2 × ( 60,7 + 27 3) 22 11,6.10... 22 = 2. αn2= 1,065.366415,7=39 023 2, 72 (W/m2.độ) ⇒ q 22= 22 .∆t 22= 39 023 2, 72. 41,3=16116611,34(W/m2) Nên ta có: 2 = 16116611,34 − 21 6 12, 45 = 1% < 5% 16116611,34 Vậy nhiệt tải trung bình: Q2 = Nồi