Đồ án kỹ thuật hóa học

Tài liệu tham khảo cho những ai sẽ và đang làm đồ án kỹ thuật hóa học đồ án quá trình và thiết bị. Nội dung bao gồm tính toán và thiết kế quy trình cô đặc một nồi dung dịch NaCl 5% lên 15% với áp suất cô đặc P = 0.4 at

LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung ngành cơng nghệ hóa học Ngày có nhiều phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu Tùy theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Để nâng nồng độ dung dịch NaCl phương pháp đặc thích hợp Đồ án thiết kế kỹ thuật hóa học mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư hóa học tương lai Mơn học giúp sinh viên giải tính tốn cụ thể u cầu cơng nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành thiết bị sản xuất hóa, thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học để giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng quát Em chân thành cảm ơn thầy khoa kỹ thuật hóa học thầy hướng dẫn tạo điều kiện cho em thực đồ án Sinh viên thực Mục Lục TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ đồ án Nhiệm vụ môn học thiết kế hệ thống cô đặc nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaCl suất 1,5 m3/h, nồng độ đầu 5%, nồng độ cuối 15%, áp suất ngưng tụ 0,4 at   1.2 Tính chất nguyên liệu sản phẩm Nguyên liệu: NaCl khối tinh thể màu trắng, có vị mặn, tan nước phân ly thành ion Là thành phần muối ăn ngày Ở 1000C dung dịch bão hòa 28,15%, 200C dung dịch bão hòa 26,4% Sản phẩm: Ta thấy độ hòa tan nhiệt độ thường NaCl khoảng 26,4%, dung dịch cô đặc yêu cầu 20%, sau làm nguội nguyên liệu dạng dung dịch Vì mục đích q trình đặc chủ yếu để chuẩn bị cho trình sản xuất NaOH, hợp chất chứa Cl sử dụng làm muối dạng dịch truyền sử dụng y tế Ngồi NaCl dùng làm chất tải lạnh 1.3 Lựa chọn thiết bị đặc Mục đích cô đặc dung dịch NaCl từ 5% đến 15%, với đặc điểm nguyên liệu NaCl muối trung tính, tính chất hóa học, vật lý bị biến đổi cô đặc nhiệt độ cao, độ nhớt dung dịch khơng cao tuần hồn tự nhiên qua bề mặt truyền nhiệt Vì lựa chọn thiết bị đặc có buồng đốt trong, ống tuần hồn trung tâm, tuần hồn tự nhiên, làm việc xi chiều Ưu điểm thiết bị đặc buồng đốt có ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh sửa chữa, chiếm diện tích, đặc dung dịch có nhiều váng cặn 1.4 Lựa chọn thiết bị ngưng tụ baromet Thiết bị ngưng tụ có cấu tạo đa dạng, nhiên trường hợp chọn thiết bị ngưng tụ thiết bị ngưng tụ baromet kiểu khô Đây thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp, thơng dụng ngành hóa chất thực phẩm, chất làm lạnh nước Quá trình tiến hành cách cho thứ nước tiếp xúc trực tiếp với Nước làm lạnh cho từ xuống, từ lên để làm nguội ngưng tụ chảy dọc xuống tự khí khơng ngưng hút theo đường khác Ưu điểm thiết bị kiểu khô Nước làm mát tiếp xúc trực tiếp với nên hiệu ngưng tụ cao - Cấu tạo đơn giản dễ lắp đặt - Chống ăn mòn, suất cao - Nước ngưng tự chảy không cần bơm nên tốn lượng - Nhược điểm thiết bị kiểu khô: thiết bị cồng kềnh  1.5 Lựa chọn địa điểm đặt nhà máy Để thuận lợi cho trình khai thác nguồn nguyên liệu, nhà máy đặt khu vực gần biển thuộc tỉnh Cà Mau Nhiệt độ ban đầu dd NaCl ta lấy nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất: 24,90C ([1]/476) Nhiệt độ ban đầu nước làm mát ta lấy nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất: 27,60C ([1]/476) THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Ngun liệu ban đầu dung dịch NaCl có nồng độ 5% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt đun nóng đến nhiệt độ sơi Thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ bố trí theo đỉnh hình tam giác Các đầu ống giữ chặt vỉ ống vỉ ống hàn dính vào thân Nguồn nhiệt nước bão hồ có áp suất at bên ngồi ống (phía vỏ) Dung dịch từ lên bên ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ bề mặt ống cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau gia nhiệt chảy vào thiết bị cô đặc để thực trình bốc Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy chảy Nguyên lý làm việc nồi cô đặc: Phần thiết bị buồng đốt, gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch ống đốt (hơi nước bão hồ) khoảng khơng gian ngồi ống Hơi đốt ngưng tụ bên ống truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động ống Dung dịch ống theo chiều từ xuống nhận nhiệt đốt ngưng tụ cung cấp để sơi, làm hố phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy để chảy Nguyên tắc hoạt động ống tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống Đối với ống tuần hồn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt nên lượng tạo ống truyền nhiệt lớn Vì lý trên, khối lượng riêng hỗn hợp lỏng – ống tuần hoàn lớn so với ống truyền nhiệt hỗn hợp đẩy xuống Kết có dòng chuyển động tuần hồn tự nhiên thiết bị: từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn Phần phía thiết bị buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – thành dòng Hơi thứ lên phía buồng bốc, đến phận tách giọt để tách giọt lỏng khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống thứ tiếp tục lên Dung dịch lại hồn lưu Dung dịch sau đặc bơm ngồi theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ khí khơng ngưng từ phía buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh nước bơm vào ngăn dòng thứ dẫn vào ngăn thiết bị Dòng thứ lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí khơng ngưng tiếp tục lên trên, dẫn qua phận tách giọt bơm chân khơng hút ngồi Khi thứ ngưng tụ thành lỏng thể tích giảm làm áp suất thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet thiết bị ổn định chân khơng, trì áp suất chân không hệ thống Thiết bị làm việc áp suất chân khơng nên phải lắp đặt độ cao cần thiết để nước ngưng tự chảy ngồi khí mà khơng cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn với nhiệm vụ tách giọt lỏng bị lơi theo dòng khí khơng ngưng để đưa bồn chứa nước ngưng Bơm chân khơng có nhiệm vụ hút khí khơng ngưng ngồi để tránh trường hợp khí khơng ngưng tích tụ thiết bị ngưng tụ nhiều, làm tăng áp suất thiết bị nước chảy ngược vào nồi đặc TÍNH TỐN Q TRÌNH CƠNG NGHỆ Các thông số số liệu ban đầu: Dung dịch cô đặc: NaCl Nồng độ đầu (xđ): 5%, t’1 = 24,90C Nồng độ cuối (xc): 15% Chọn áp suất nước bão hòa: at (tD = 133,60C, r = 2171 kJ/kg) Năng suất sản phẩm: 1500 kg/h Áp suất ngưng tụ pc: - 0,4 = 0,6 at (tc = 85,50C) Chọn áp suất buồng bốc p1: 0,7 at (t = 89,30C) 3.1 Phương trình cân vật chất q trình đặc Gđ = G c + W Gđ.xđ = Gc.xc Với: Gđ, Gc – lưu lượng ban đầu (vào) cuối (ra) dung dịch, kg/h xđ , xc - nồng độ chất tan dung dịch đầu cuối, phần khối lượng W – lương thứ, kg/h - Lưu lượng dung dịch cuối thu được: - Lượng thứ bốc ra: 3.2 Tổn thất nhiệt độ hệ Tổn thất nhiệt độ hệ thống cô đặc: tổn thất nồng độ, tổn thất áp suất thủy tĩnh tổn thất trở lực đường ống 3.2.1 Tổn thất nồng độ ∆’ = ∆’0.f (5.3/316/[1]) Trong đó: ∆’0: Tổn thất nhiệt độ nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi áp suất thường (xác định nồng độ cuối) f : hệ số hiệu chỉnh Tại 89,30C giá trị f = 0,935 (Bảng 5.3/316/[1]) ∆0’ = 3,250C (Bảng 5.2/314/[1]) ∆’ = ∆’0.f = 3,25.0,935 = 3,040C tsdd(p1) = 89,3 + 3,04 = 92,340C 3.2.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh ∆’’ = tsdd(ptb) - tsdd(p1) Áp suất lớp chất lỏng trung bình: ptb = p1 + 0,5ρhhgHop = p1 + ∆p Với: ρhh = 1/2.ρdd ρdd khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối Tra sổ tay tìm ρdd 92,340C: ρdd = 1070 kg/m3 (bảng I.57/ [2]/45)  ρhh = 535 kg/m3 Chiều cao thích hợp lớp chất lỏng sơi: Hop = (0,26 + 0,0014(ρdd – ρdm))h0 (2.20/118/ [3]) h0: chiều cao ống truyền nhiệt ρdm: khối lượng riên dung môi tsdm - Chọn : h0 = 1,5 m Vậy : Hop = (0,26 + 0,0014(1070 – 966)).1,5 = 0,6084 (m Ptb = 0,7 + 0,016 = 0,716 at Áp dụng phương pháp Babô: P1(t1) / P2(t1) = P1(t2) / P2(t2) = const Trong đó: P1(t1), P1(t2) áp suất chất cần tìm nhiệt độ t1 t2 P2(t1), P2(t2) áp suất chất “chìa khố” nhiệt độ t1 t2 Chọn chất chìa khố nước bão hoà P1(t1) = 0,7 at  P2(t1) = 0,782 at P1(t2) = 0,716 at  P2(t2) = 0,8 at  t2 = 930C Vậy tsdd(ptb) = 930C ∆’’ = 93– 92,34 = 0,660C 3.2.3 Tổn thất nhiệt độ ống dẫn thứ từ TBCĐ đến TBNT Chọn ∆’’’ = 0C Tổng độ tăng nhiệt độ sôi: ∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 3,04 + 0,66 + = 4,7 0C Chênh lệch nhiệt độ tổng cộng: ∆t = tD – tc = 133,6 – 85,5 = 48,1 0C Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: ∆th.i = ∆t - ∑∆ = 48,1 – 4,7 = 43,4 0C Sản phẩm lấy đáy thiết bị, nhiệt độ cuối cùng: t’’1 = tsdd(p1) + 2∆’’ = 92,34 + 2.0,66 = 93,660C 3.3 Lượng đốt phải dùng Chọn nhiệt độ nước ngưng với nhiệt độ đốt Nhiệt dung riêng NaCl 5%: Cđ = 4186(1-x) = 4186(1-0,05) = 3977 J/kg.0C Nhiệt dung riêng NaCl 15%: Cc = 4186(1-x) = 4186(1-0,15) = 3558 J/kg.0C Chọn nhiệt độ nước ngưng với nhiệt độ đốt Độ ẩm bão hoà φ = 0,05 Nhiệt lượng tổn thất môi trường ε = 0,05 Ẩn nhiệt ngưng tụ đốt rD = 2171 kJ/kg Enthalpy thứ khỏi thiết bị i”w = 2657 kJ/kg Vậy D = 1160 kg/h 3.4 Hệ số cấp nhiệt Chọn thép hợp kim có mã hiệu 1X18H10T làm vật liệu cho ống Hệ số dẫn nhiệt λ = 16,3 W/m.0C Chọn bề dày ống truyền nhiệt mm Tham khảo bảng V.1/4/ [4]: nhiệt trở nước r = 2,32.10-4 m2.0C/W ; nhiệt trở cặn bẩn r2 = 3,87.10-4 m2.0C/W = = = 8,03.10-4 m2.0C/W 3.4.1 Hệ số cấp nhiệt α1 phía ngưng tụ Hệ số cấp nhiệt α1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng hệ số α1 bão hòa ngưng tụ tính theo cơng thức: α1 = 2,04.A r H ∆ t1 (V.101/28/ [4]) Với: Ẩn nhiệt ngưng tụ đốt r = 2171 kJ/kg Chiều cao ống truyền nhiệt H = 1,5 m A: trị số phụ thuộc tm Chọn chênh lệch nhiệt độ bão hoà nhiệt độ bề mặt tường ∆t1 = 0C  Nhiệt độ bề mặt tường tt1 = 133,6 – = 130,60C Nhiệt độ màng: tm = 0,5(tt + tbh) = 0,5(130,6 + 133,6) = 132,10C Tìm giá trị A: A = 191,93 ([4]/ 29)  1 = 10319 W/m2.0C Nhiệt tải: q1 = 1 ∆t1 = 10319.3 = 30957 W/m2 Chênh lệch nhiệt độ bề mặt tường: = q1 = 30957.8,03.10-4 = 24,860C Nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với dung dịch: tt2 = tt1 – ∆t = 130,6 – 24,86 = 105,740C ∆t2 = tt2 – tsdd(ptb) = 105,74 – 93 = 12,740C 3.4.2 Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt ống đến chất lỏng sơi λ ρ C µ α dd = α n ( dd ) 0,565 (( dd ) ( dd )( n ))0,435 λn ρn Cn µ dd (VI.27/71/ [4]) Trong đó:0,833 Hệ số cấp nhiệt nước: αn = 0,145.p0,5 (V.91/26/ [4]) Áp suất bề mặt thoáng p = 0,9 at = 0,9.9,8.104 = 88200 N/m2 Vậy αn = 16426 W/m2.0C Hệ số dẫn nhiệt nước λn = 0,68 W/m.0C Khối lượng riêng nước = 963 kg/m3 Nhiệt dung riêng nước Cn = 4250 J/kg.0C Độ nhớt nước µn = 0,304.10-3 Pa.s Hệ số dẫn nhiệt dung dịch λdd = 0,5 kcal/m.h.0C = 0,582 W/m.0C (Hình I.40/137/ [2]) Khối lượng riêng dung dịch ρdd = 1070 kg/m3 Nhiệt dung riêng dung dịch Cdd = 4186(1 - x) = 4186(1 - 0,075) = 3872 J/kg.0C Độ nhớt dung dịch µdd = 0,425.10-3 N.s/m2 (bảng I.107/100/ [2])  α2 = 13683 W/m2.0C Nhiệt tải: q2 = α22 = 13683.12,78 = 174869 W/m2 Kiểm tra lại điều kiện: (q1 – q2)/q2 = 0,82 > 0,05 Do điều kiện không thỏa nên ta tiến hành tính tốn lặp ∆t1 tT1 α1 q1 3.1 130.5 10219 31678 3.2 130.4 32441 3.3 130.3 10138 1006 3.4 130.2 9985 3.5 130.1 9913 33199 3395 3469 3.6 130 9844 35437 3.7 129.9 9777 3.8 129.8 9712 3.9 129.7 9649 36173 3690 3763 129.6 9588 38351 ∆t tT2 25.44 26.0 26.6 27.2 27.8 28.4 29.0 29.6 30.2 30.8 ∆t2 αn α2 14362 11963 11.39 10.6 12467 10385 10735 8942 102.94 9.98 9159 7630 102.24 9.28 7733 6441 101.54 100.8 8.58 6450 5373 7.89 5305 4419 100.17 7.21 4291 3574 99.48 6.52 3402 2834 98.80 5.84 2633 2194 105.0 12.1 104.35 103.6 Nhận thấy = 3,70C thỏa điều kiện Ta lấy kết tính tốn từ ∆t1 3.5 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K = = = 883,7 W/m2.0C 3.6 Bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt tính theo cơng thức: (2.25/119/ [3]) F= = = 16,44 m2 10 (12 + 2.0, 25.(5 − 1, 4).10 −3 ).198000 σ= = 56,1.106 < 110.106 −3 7,6.0,85.0,64.0, 95.0, 25 (5 − 1, 4).10 (thỏa) 4.6 Bề dày lớp cách nhiệt Chọn vật liệu cách nhiệt bơng thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt λ c = 0,0372 W/m.0C 4.6.1 Bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn đốt δ = 2,8 (V.137/41/ [4]) Trong đó: d2 đường kính ngồi ống dẫn chưa tính đến lớp cách nhiệt; 0,159 m λ hệ số dẫn nhiệt chất cách nhiệt t nhiệt độ mặt ống dẫn kim loại (lấy nhiệt độ đốt); 133,60C q nhiệt tổn thất tính theo mét chiều dài ống dẫn, nội suy từ bảng V.7/42/ [4] ta có q = 104,4 W/m δ = 2,8 = 0,0019 m → chọn δ = mm 4.6.2 Cách nhiệt cho buồng đốt Bề dày lớp cách nhiệt cho buồng đốt tính theo cơng thức: αn(tT2 – tkk ) = ( tT1 – tT2 ) (VI.66/92/ [4]) Trong đó: αn - hệ số cấp nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt đến khơng khí αn = 9,3 + 0,058tT2 tT2 - nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt phía khơng khí vào khoảng 40 ÷ 500C tT1- nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị (lấy nhiệt độ đốt); 133,60C tkk - nhiệt độ khơng khí; 27,60C λc - hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt αn = 9,3 + 0,058.40 = 11,62 W/m2.0C Bề dày lớp cách nhiệt: δ= = = 0,024 m Chọn δ = 25 mm 19 4.6.3 Cách nhiệt cho buồng bốc Bề dày lớp cách nhiệt cho buồng bốc tính giống theo cơng thức buồng đốt với tT1= 89,30C → bề dày lớp cách nhiệt: δ= = = 0,013 m Chọn δ = 25 mm 4.7 Tính vỉ ống Chọn cách bố trí ống vào vỉ theo phương pháp hàn, đầu ống nhô cao vỉ ống khoảng mm Lấy mặt bích mù có thơng số chọn phần mặt bích làm vỉ ống, làm từ thép khơng gỉ có mã hiệu 1X18H10T Kiểm tra ứng suất uốn vỉ thiết bị trao đổi nhiệt tính theo cơng thức sau: σtt = [σ] (8-53/183/ [7]) Trong L = t.cos30 = 57.cos30 = 49,4 mm p - áp suất tính tốn lớn khơng gian ngồi ống; at = 294000 N/m2 σtt = = 0,89.106 132.106 (thỏa) 4.8 Chọn mặt bích Chọn kiểu bích liền, kiểu I để nối nắp, thân, đáy thiết bị ống dẫn Bích liền phận nối liền với thiết bị loại hàn Loại bích chủ yếu dùng với áp suất thấp áp suất trung bình Số liệu mặt bích nối thân, đáy thiết bị: (bảng XIII.27/420/ [4]) 20 Dt Kích thước nối D Db Dl h D0 Bu lông db Z mm 800 930 880 85 811 M20 mm 24 22 Số liệu mặt bích nối nắp thiết bị: Dt Kích thước nối D Db Dl D0 h Bu lông db Z mm 100 1140 109 106 101 M20 mm 24 24 Số liệu mặt bích nối ống dẫn: Tên Dt Kích thước nối D0 D Db D1 h Bu lông db mm Z mm Ống nhập liệu 32 38 12 90 70 M12 12 Ống đốt 15 159 26 22 20 M16 16 Ống tháo nước ngưng 32 38 12 90 70 M12 12 Ống tháo sản phẩm 20 25 90 65 50 M10 12 Ống dẫn 15 159 26 22 20 M16 16 21 thứ 0 Lựa chọn vật liệu đệm cho mặt bích: Yêu cầu vật liệu đệm: - Đủ độ dẻo dễ bị biến dạng bị nén - Trong thời gian làm việc, độ dẻo không bị biến đổi - Bền với môi trường thiết bị đường ống Tham khảo bảng 7.2/146/ [7] ta chọn dây amiăng làm vật liệu đệm, dày mm 4.9 Tai treo thiết bị Khối lượng thân thiết bị rỗng: mthân = mbốc + mđốt = (D2n – D2t).H1.ρthép + (D2n – D2t).H2.ρthép = 0,9882).2.7900 + (0,82 – 0,7942).1,5.7900 = 385 kg (12 – Khối lượng mặt bích: mbích = (0,932 – 0,82).0,022.7900 + (1,142 – 12).0,024.7900 = 212 kg Khối lượng đáy nắp thiết bị: M = mđáy + mnắp = 56 + 117 = 173 kg (bảng XIII.11/384/ [4] bảng XIII.21/395/ [4]) Tổng khối lượng ống truyền nhiệt: m = n.mtn + mth = 72 (0,0382 – 0,0322).1,5.7900 + (0,2192 – 0,22).1,5.7900 = 355 kg Tổng khối lượng dung dịch nồi bị ngập: Thể tích đáy, nắp: 0,162 + 0,116 = 0,272 m3 (Bảng XIII.10/383/ [4] bảng XIII.18/392/ [4]) Thể tích ống tuần hồn ống truyền nhiệt: 72 0,032 2.1,5 + 0,22.1,5 = 0,134 m3 Thể tích buồng bốc: 1,418 m3 m = (0,272 + 0,134 + 1,418).1070 = 1952 kg Tổng khối lượng nồi: 385 + 212 + 173 + 355 + 1952 = 3077 kg Chọn tai treo Thiết kế thiết bị đỡ tai treo Vật liệu làm tai treo thép CT3 Tải trọng cho phép tai: G = = = 7538,6 N 22 Tham khảo bảng XIII.35/437/ [4] ta chọn chân đỡ có thông số sau: F.10 q.10 L B B1 a H S l d 17 23 -6 m2 N/m mm 89,5 1,12 11 Trong đó: F – Bề mặt đỡ q – Tải trọng cho phép bề mặt đỡ TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 5.1 Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ baromet 5.1.1 Lượng nước làm mát cần sử dụng Gn = (III-35/123/ [5]) Nhiệt lượng riêng ngưng tụ 0,6 at: i = 2650 kJ/kg Chọn nhiệt độ vào nước làm nguội nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất: tv = 27,60C Nhiệt độ nước làm nguội: tR = 500C  Nhiệt dung riêng nước làm nguội Cn = 4180 J/kg.0C  Gn = 26070 kg/h 5.1.2 Thể tích khí khơng ngưng khơng khí cần hút khỏi thiết bị Gk = 25.10-6(Gn + W) + W.10-2 (III-31/122/ [5]) 23 = 25.10-6(26070 + 1000) + 1000.10-2 = 10,67 kg/h 5.1.3 Đường kính thiết bị ngưng tụ baromet W D = 1,383 ρh ωh (III-36/123/ [5]) Trong đó: Khối lượng riêng ngưng tụ 0,6 at ρh = 0,359 kg/m3 Chọn tốc độ ngưng tụ ωh = 20 m/s  D = 0,272 m Tham khảo bảng VI.8/88/ [4], chọn D = 0,5 m 5.1.4 Kích thước ngăn Tấm ngăn hình dạng viên phân có chiều rộng: b = D/2 + 50 (III-37/123/ [5]) = 500/2 + 50 = 300 mm Mức độ đun nóng nước: P = (tR – tV)/(tc – tV) (VI.56/85/ [4]) = (50 – 27,6)/(85,5 – 27,6) = 0,386 Dựa vào bảng VI.7/86/ [4] chọn số ngăn 4, khoảng cách ngăn 300 mm Các lỗ ngăn xếp theo hình lục giác đều, đường kính lỗ: mm Tổng diện tích bề mặt lỗ cặp ngăn là: f = Vn/ωc = (VI.54/85/ [4]) ωc – tốc độ tia nước lấy 0,62 m/s f = = 0,0117 m2  Trên ngăn f = 0,00585 m2 Số lỗ ngăn: n = 4f/π.d2 = 4.0,00585/π.0,0052 = 298 (lỗ) Bước lỗ: 24 t = 0,866.d.(fc/ftb)1/2 (VI.55/85/ [4]) d – đường kính lỗ fc/ftb – tỉ số tổng diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ, thường lấy 0,025 – 0,1 Chọn 0,05 t = 9,68.10-4 m Chọn t = mm Chiều dày ngăn: mm Chiều cao gờ cạnh ngăn: 40 mm 5.1.5 Chiều cao thiết bị ngưng tụ H = n.h + 0,8 (III-38/124/ [5]) Trong đó: n số ngăn h khoảng cách trung bình ngăn H = 4.0,3 + 0,8 = m 5.1.6 Kích thước ống baromet Đường kính ống baromet dba = 0, 004(Gn + W ) π.ω ω – tốc độ hỗn hợp nước lạnh nước ngưng Chọn ω = 0,5 m/s dba = = 0,027 m Chọn dba = 32 mm Chiều cao ống baromet hba = h1 + h2 + 0,5 (1) Trong đó: h1: chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất thiết bị ngưng tụ khí h1 = 10,33 25 b – độ chân không thiết bị ngưng tụ; 0,6 at = 456 mmHg h1 = 6,198 m h2: chiều cao cột nước ống baromet cần thiết để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống h2 = (λ hba ω2 + ∑ ζ) dba 2g Re = ρωdba/μ = 1000.0,5.0,032/0,653.10-3 = 24502 Khi 2.103 Re 3,26.106 λ = 1/(1,8lgRe – 1,5)2 = 0,024 Chọn hệ số trở lực cục bộhba vào ống 0,5 ống  = 1,5 0,5là h2 = (1,5 + 1, 5) 0, 032 2.9,8 = 0,598.hba + 0,019 (2) Giải phương trình từ (1), (2): hba = 16,71 m 5.2 Thiết bị đun nóng dòng ngun liệu Các thông số chọn hệ số dẫn nhiệt ống λ, hệ số trở nhiệt r, áp suất đốt, … phần tính tốn thiết bị Lượng nhiệt cần cung cấp để đun nóng dung dịch có tính đến tổn thất: Q = 1,05.Gđ.Cđ.(tR – tV) = 1,05.1500.4169.(89,3 – 24,9)/3600 = 117461 W Lượng đốt cần sử dụng: Gđốt = Q/r = 117461/2171.103 = 0,054 kg/s = 194,8 kg/h Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình: = = 71,750C 5.2.1 Hệ số cấp nhiệt α1 phía ngưng tụ α1 = 2,04.A r H ∆ t1 Với: Ẩn nhiệt ngưng tụ đốt r = 2171 kJ/kg Chiều cao ống truyền nhiệt H = 1,5 m 26 A: trị số phụ thuộc tm Chọn chênh lệch nhiệt độ bão hoà nhiệt độ bề mặt tường ∆t1 = 0C  Nhiệt độ bề mặt tường tt1 = 133,6 – = 130,60C Nhiệt độ màng: tm = 0,5(tt + tbh) = 0,5(130,6 + 133,6) = 132,10C A = 191,93  1 = 10319 W/m2.0C Nhiệt tải: q1 = 1 ∆t1 = 10319.3 = 30957 W/m2 Chênh lệch nhiệt độ bề mặt tường: = q1 = 30957.8,03.10-4 = 24,860C Nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với dung dịch: tt2 = tt1 – ∆t = 130,6 – 24,86 = 105,740C ∆t2 = tt2 – t2 = 105,74 – 57,1 = 48,64 0C 5.2.2 Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt ống đến chất lỏng Re = ρωdba/μ = 1032.0,5.0,032/0,97.10-3 = 17022 > 10000 Nu = 0,021.εl.Re0,8Pr0,43(Pr/Prt)0,25 (V.40/14/ [4]) Trong đó: Prt – chuẩn số Pran dòng tính theo nhiệt độ tường; Pr t = 1,4 (Hình V.12/12/ [4]) Pr – chuẩn số Pran dòng tính theo nhiệt độ trung bình dòng (57,1 0C); Pr = 4,8 εl – hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số chiều dài đường kính ống; εl = 1,02 (Bảng V.2/15/ [4])  Nu = 0,021.1,02.170220,84,80,43(4,8/1,4)0,25 = 138,8 α2 = Nu.λ/d = 138,8.0,582/0,032 = 2524 W/m2.0C Nhiệt tải: q2 = α22 = 2524.48,64 = 122767 W/m2 Kiểm tra lại điều kiện: (q1 – q2)/q2 = 0,747 > 0,05 Do điều kiện khơng thỏa nên ta tiến hành tính tốn lặp ∆t1 α1 q1 9588 tT2 38351 ∆t2 98.8 Prt 41.7 Nu 1.6 α2 170 q2 3088 128778 Kiểm tra 0.70 27 9068 8664 8336 8062 45338 51982 58352 64499 92.2 85.9 79.7 73.8 35.1 28.8 22.6 16.7 2.0 2.4 2.6 3.2 180 188 192 202 3265 3417 3486 3672 114583 98279 78943 61352 0.60 0.47 0.26 0.05 Vậy với ∆t1 = 80C thỏa điều kiện tính tốn Hệ số truyền nhiệt tổng qt K = = = 833,8 W/m2.0C Bề mặt truyền nhiệt F = = = 1,96 m2 Số ống truyền nhiệt n = F/(π.d.l) = 1,96/π.0,032.1,5 = 13 Chọn số ống 19 theo tiêu chuẩn Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh Diện tích bề mặt thực tế: F = 2,86 m2 Đường kính thiết bị bước ống t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 m D = t(b – 1) + 4dn = 0,057(5-1) + 4.0,057 = 0,228 m Chọn D = 0,3 m 5.3 Vị trí đặt bồn cao vị Xét mặt thoáng mặt thoáng chất lỏng thùng cao vị mặt thoáng mặt thoáng chất lỏng buồng bốc Phương trình bernouli cho mặt thống 2: Z1 + P1/ρg + ω12/2g = Z2 + P2/ρg + ω22/2g + ( Trong đó: Z1 – chiều cao từ mặt đất đến mặt thoáng P1 – Áp suất mặt thoáng 1; at = 98000 N/m2 ρ – khối lượng riêng dung dịch; 990 kg/m3 ω1 – vận tốc dung dịch mặt thoáng 1; m/s Z2 – chiều cao từ mặt đất đến mặt thoáng 2; chọn m P2 – áp suất mặt thoáng 2; 0,7 at = 68600 N/m2 ω2 – vận tốc dung dịch mặt thoáng Cho vận tốc trung bình ω tồn q trình vận tốc mặt thoáng ω2 = 4Gđ / π.d2.ρ = 4.1500/ π.3600.0,0322.990 = 0,52 m/s Re = ρ.ω2.d/µ = 990.0,52.0,032/0,4.10-3 = 41184 28 Tổn thất ma sát: λ = 0,3164/Re0,25 = 0,022 Chọn chiều dài ống m Tổn thất cục bộ: - góc vng: 4.1,4 = 5,6 Lối vào ống dẫn: Lối ống dẫn: 0,5 Lưu lượng kế: 2 van: 2.6,2 = 12,4 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: 10 = 5,6 + + 0,5 + + 12,4 + 10 = 31,5 Thế tất giá trị vào phương trình bernouli tìm Z1 = 0,6 m 5.4 Chọn bơm 5.4.1 Bơm nhập liệu mặt thống tính tốn bồn cao vị bồn chứa nguyên liệu Công suất bơm: N= Trong : G – suất bơm; 1500 kg/h = 0,42 kg/s H – áp suất toàn phần bơm, m H = Hm + H0 + Hc (m) Với : Hc = = 0: chênh lệch áp suất áp suất hai mặt thoáng H0 = Z2 – Z1 = 0,5 – = - 0,5 m: chiều cao hình học Hm = : áp suất tiêu tốn để thắng trở lực đường hút đẩy Chọn dhút = dđẩy = 32 mm, vận tốc trung bình ω = 1,5 m/s Re = ρ.ω.d/µ = 990.1,5.0,032/0,4.10-3 = 118800 Tổn thất ma sát: λ = 0,3164/Re0,25 = 0,017 Chọn chiều dài ống m Tổn thất cục bộ: - góc vng: 2.1,4 = 2,8 Lối vào ống dẫn: Lối ống dẫn: 0,5 van: 2.6,2 = 12,4 29 = 2,8 + + 0,5 + 12,4 = 16,7 Hm = = 2,04 Áp suất toàn phần bơm: H = - 0,5 + 2,04 = 1,54 m g – gia tốc trường, m/s2 η - hiệu suất chung bơm, (η = 0,72 ÷ 0,93), chọn hiệu suất chung bơm η = 0,8 - Công suất bơm là: N = kW - Công suất động điện: Ndc = Với: ηtr hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,9 ηđc hiệu suất động điện dựa theo bảng II.32/439/ [2] chọn hiệu suất động điện bơm li tâm ηđc = 0,9 → Ndc = kW Thường người ta chọn động điện có cơng suất lớn so với cơng suất tính toán → Nlt = β.Ndc (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo II.33/440/ [2]) Vậy: Nlt = β.Ndc = 1,5.0,01 = 0,015 kW 5.4.2 Bơm tháo liệu Tính tốn tương tự bơm nhập liệu Năng suất bơm: 500 kg/h = 0,14 kg/s Chọn hiệu suất chung bơm η = 0,8 Hc = = = 0,93 m H0 = Z2 – Z1 = – 1,25= - 0,25 m: chiều cao hình học Chọn dhút = dđẩy = 25 mm, vận tốc trung bình ω = 1,5 m/s Re = ρ.ω.d/µ = 990.1,5.0,025/0,32.10-3 = 116015 Tổn thất ma sát: λ = 0,3164/Re0,25 = 0,017 Chọn chiều dài ống m Tổn thất cục bộ: - góc vng: 1,4 30 - Lối vào ống dẫn: Lối ống dẫn: 0,5 van: 6,2 = 1,4 + + 0,5 + 6,2 = 9,1 Hm = = 1,2 Áp suất toàn phần bơm: H = - 0,25 + 0,93 + 1,2 = 1,88 m - Công suất bơm là: N = kW - Công suất động điện: Ndc = = = 0,004 kW → Nlt = β.Ndc = 1,5.0,004 = 0,006 kW 5.4.3 Bơm chân khơng Thể tích khí cần hút ra: W = Gk/ρ = 10,67/0,359 = 29,72 m3/h Dựa vào bảng II.57/513/ [2] chọn bơm chân không vòng nước có thơng số sau: Nhãn hiệu Kích thước Năng bánh guồng suất, m3/h Đường Chiều kính dài BHB - 450 520 27 Độ chân không theo % so với áp suất khí 60 Số vòng quay, v/ph Công suất động điện, kW Lưu lượng nước, l/ph 720 55 50 KẾT LUẬN 6.1 Nồi cô đặc Tên Năng suất nhập liệu Nồng độ đầu Nồng độ cuối Hơi thứ Lưu lượng sản phẩm Lượng đốt sử dụng Thông số công nghệ 1500 kg/h 5% 15% 1000 kg/h 500 kg/h 1160 kg/h Chú thích P = at 31 Diện tích bề mặt truyền 16,3 m2 nhiệt Ống truyền nhiệt 72 ống truyền nhiệt, l = 1,5 m; d = 38 x ống tuần hoàn trung tâm (mm); D = 219 x 9,5 (mm) Buồng đốt D = 0,8 m; bề dày mm; X18H10T cao 1,5 m Buồng bốc D = m; bề dày mm, X18H10T cao m Đáy, nắp Nắp: elip; D = m; gờ h X18H10T = 40 mm; dày mm Đáy: cơn; góc đáy 600; D = 0,8 m; dày mm Ống nhập liệu 38 x (mm) X18H10T Ống dẫn đốt 159 x 4,5 (mm) X18H10T Ống dẫn thứ 159 x 4,5 (mm) X18H10T Ống tháo nước ngưng 38 x (mm) X18H10T Ống tháo sản phẩm 25 x 2,5 (mm) X18H10T 6.2 Thiết bị ngưng tụ baromet Tên Lượng nước làm mát Kích thước Tấm ngăn Ống baromet Thơng số cơng nghệ Chú thích 26,03 m /h D = 0,8 m; H = m Chiều rộng: 0,3 m; ngăn; khoảng cách ngăn: 300 mm; số lỗ ngăn: 298 dba = 38 x (mm); hba = 16,71 m 6.3 Thiết bị đun nóng nguyên liệu Tên Lượng đốt sử dụng Diện tích bề mặt truyền nhiệt Ống truyền nhiệt Thông số công nghệ 194,7 kg/h 2,86 m2 Chú thích P = at 19 ống; l = 1,5 m; d = 38 X18H10T x (mm) 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Bơn - Nguyễn Đình Thọ, Q trình Thiết bị truyền nhiệt Quyển 1: Truyền nhiệt ổn định, Hồ Chí Minh: Nhà xuất Đại h ọc Qu ốc gia TPHCM, 2015 [2] Nguyễn Bin cộng sự, Sổ tay Q trình Thi ết bị - Cơng ngh ệ hoá ch ất: tập 1, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [3] Phạm Văn Bơn, Bài tập Truyền nhiệt, Hồ Chí Minh: Nhà xuất Đại h ọc quốc gia TPHCM, 2014 [4] Nguyễn Bin cộng sự, Sổ tay Quá trình Thi ết bị - Cơng ngh ệ Hố ch ất: tập 2, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [5] Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế Thiết bị hóa chất Chế biến th ực phẩm, Bộ giáo dục đào tạo, 1992 [6] Phạm Văn Bơn - Nguyễn Đình Thọ, Q trình thiết bị truy ền nhi ệt, H Chí Minh: Đại học Bách Khoa TPHCM, 1992 [7] Hồ Lê Viên, Tính tốn thiết kế chi ti ết thi ết bị hố ch ất d ầu khí, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 33 ... 4.0,057 = 0,228 m Chọn D = 0,3 m 5.3 Vị trí đặt bồn cao vị Xét mặt thoáng mặt thoáng chất lỏng thùng cao vị mặt thoáng mặt thoáng chất lỏng buồng bốc Phương trình bernouli cho mặt thống 2: Z1 +... đất đến mặt thoáng P1 – Áp suất mặt thoáng 1; at = 98000 N/m2 ρ – khối lượng riêng dung dịch; 990 kg/m3 ω1 – vận tốc dung dịch mặt thoáng 1; m/s Z2 – chiều cao từ mặt đất đến mặt thoáng 2; chọn...Mục Lục TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ đồ án Nhiệm vụ môn học thiết kế hệ thống cô đặc nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaCl suất 1,5 m3/h, nồng