Đồ án quá trình và thiết bị: Tính toán hệ thông cô đặc NaNO3 Năng suất nhập liệu: 2000 kgh. Nồng độ nhập liệu: 9% khối lượng Nồng độ sản phẩm: 40% khối lượng Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa với áp suất là: Phđ = 3 at (tuyệt đối) Áp suất ngưng tụ (khí quyển): Pck = 0,5 at. Nội dung: Tính toán cân bằng vật chất cân bằng nhiệt lượng. Tính toán thiết bị chính Thể hiện sơ đồ công nghệ và chi tiết tháp lên giấy A1.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN KHOA : CƠNG NGHỆ HĨA BỘ MƠN : MÁY VÀ THIẾT BỊ HỌ VÀ TÊN : NGUYỄN NHÂN ĐỨC Tên đồ án: Thiết kế hệ thống cô đặc nồi liên tục xuôi chiều để cô đặc NaNO Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu) - Năng suất nhập liệu: 2000 kg/h Nồng độ nhập liệu: 9% khối lượng Nồng độ sản phẩm: 40% khối lượng Gia nhiệt nước bão hòa với áp suất là: Phđ = at (tuyệt đối) Áp suất ngưng tụ (khí quyển): Pck = 0,5 at Nội dung: Tính tốn cân vật chất cân nhiệt lượng Tính tốn thiết bị Thể sơ đồ cơng nghệ chi tiết tháp lên giấy A1 Ngày giao nhiệm vụ: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Họ tên người hướng dẫn: : Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Tổ trưởng môn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt:…………………………………………… Đơn vị :………………………………………………… Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết :………………………………………… Nơi lưu trữ: …………………………………………… LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho em có mơi trường học tập nghiên cứu có hiệu Tiếp theo, em gửi lời cảm ơn đến khoa Cơng nghệ Hóa học thư viện trường cung cấp cho em tư liệu tham khảo Em xin chân thành cảm ơn giảng viên môn Thực hành Các q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học cung cấp kiến thức tài liệu tham khảo, đưa đóng góp hữu ích để báo cáo hoàn thành cách đầy đủ tốt NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:………………………… …………………………………… Nội dung thực hiện:…………………… …………………………………………… Hình thức trình bày:…………………………………………………………………… Tổng hợp kết quả:……………………………………………………………………… Điểm số: …………………………………….Điểm chữ:…………………… Tp HCM, ngày Chủ nhiệm môn tháng năm Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:………………………… …………………………………… Nội dung thực hiện:…………………… …………………………………………… Hình thức trình bày:…………………………………………………………………… Tổng hợp kết quả:……………………………………………………………………… Điểm số: …………………………………….Điểm chữ:…………………… Tp HCM, ngày Chủ nhiệm môn tháng năm Giáo viên phản biện MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Thiết kế thiết bị cô đặc nồi để cô đặc dung dịch NaCl Nồng độ đầu: xđ = 15% Nồng độ cuối: xc = 30% Năng suất nhập liệu: Gđ = 2500kg/h Gia nhiệt nước bão hoà, áp suất 3at Áp suất ngưng tụ: pck = pc = 0,5at II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU NaNO3 chất rắn, trắng tinh thể không màu có khả tan tốt nước (đến 86,4% nhiệt độ thường) Dung dịch NaNO3 có độ nhớt bé Sức căng bề mặt lớn dung dịch sôi sủi bọt nhiều Đồng thời muối nitrat có tính ăn mịn hóa học; đặc biệt điều kiện nhiệt độ cao áp suất cao ý vấn đề chọn vật liệu thiết bị NaNO3 ứng dụng nhiều công nghiệp như: - Sản xuất phân bón, phân đạm nitrat - Sản xuất thuốc nổ hỗn hợp tạo khói tên lửa - Trong cơng nghiệp sản xuất hóa chất sản xuất acid nitric cho phản ứng với acid sunfuric… - Là thuốc thử sử dụng thông dụng phịng thí nghiệm - Trong cơng nghiệp thực phẩm loại phụ gia, ướp loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay cho KNO3 Tính chất nguyên liệu: - Khối lượng nguyên liệu: 84,9947 - Điểm tan chảy: 307 - Điểm sôi: 380 - Khối lượng riêng: 2,3.103 kg/m3 - Độ tan: 92g/100mL III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC Định nghĩa Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch gồm hai nhiều cấu tử Q trình đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sơi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn); q trình vật lý – hố lý Tuỳ theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay q trình đó), ta tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) phương pháp làm lạnh kết tinh Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức đó, cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết; thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử áp suất bên tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp ta phải dùng máy lạnh Bản chất cô đặc nhiệt Để tạo thành (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên ngồi Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phân tử đủ lượng thực q trình Bên cạnh đó, bay xảy chủ yếu bọt khí hình thành trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hồn tự nhiên nồi đặc Tách khơng khí lắng keo (protit) ngăn chặn tạo bọt cô đặc Ứng dụng cô đặc Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây… Trong sản xuất hố chất, ta cần đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl 2, muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà máy Cùng với phát triển nhà máy, việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Nó địi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an tồn hiệu suất cao Do đó, yêu cầu đặt cho người kỹ sư phải có kiến thức chắn đa dạng hơn, chủ động khám phá nguyên lý thiết bị đặc IV THIẾT BỊ CƠ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Phân loại ứng dụng 1.1 Theo cấu tạo - Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung dịch lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hồn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn ngồi • Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc) - Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hồn cưỡng bức) Thiết bị đặc nhóm dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi • Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi - Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị đặc nhóm cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt lần (xuôi hay ngược) để tránh tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất số thành phần dung dịch Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép Bao gồm: • Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ • Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt bọt dễ vỡ 1.2 Theo phương thức thực q trình - Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn - Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp áp suất chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục - Cô đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi khơng nên q lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế - Cô đặc liên tục: cho kết tốt đặc gián đoạn Có thể điều khiển tự động chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với nhóm thiết bị, ta thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi, có khơng có ống tuần hồn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật tính chất dung dịch, ta áp dụng chế độ đặc áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư Các thiết bị chi tiết hệ thống đặc - Thiết bị chính: • • • • Ống nhập liệu, ống tháo liệu Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp… Các ống dẫn: đốt, thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng… - Thiết bị phụ: • Bể chứa nguyên liệu, sản phẩm Bồn cao vị Lưu lượng kế Thiết bị gia nhiệt Thiết bị ngưng tụ baromet • Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị, bơm tháo liệu, bơm nước vào thiết bị ngưng tụ, bơm chân khơng • Các van • Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất… • • • • V LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaCl - Theo tính chất nguyên liệu sản phẩm, điều kiện kỹ thuật đầu đề, người viết lựa chọn thiết bị cô đặc chân khơng nồi liên tục có buồng đốt ống tuần hồn trung tâm Thiết bị đặc loại có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh sửa chữa - Cô đặc áp suất chân khí làm giảm nhiệt độ sơi dung dịch, giảm chi phí lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi theo bám lại thành thiết bị (làm hư thiết bị) - Tuy nhiên, loại thiết bị phương pháp cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ (vì ống tuần hồn đun nóng) hệ số truyền nhiệt thấp CHƯƠNG II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Ngun liệu ban đầu dung dịch NaCl có nồng độ 15% 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 ngồi *Ngun lý làm việc nồi đặc: Phần thiết bị buồng đốt, gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hồn 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 mơi *Ngun tắc hoạt động ống tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịch ống truyền nhiệt sơi 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 vậy, khối lượng riêng hỗn hợp lỏng – ống tuần hoàn lớn so với ống truyền nhiệt hỗn hợp đẩy xuống Kết có dịng 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 cịn lại hồn lưu trở lại 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, trì áp suất hệ thống Thiết bị làm việc áp suất khí 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 dịng khí khơng ngưng để đưa bồn chứa nước ngưng, cịn khí khơng ngưng bơm chân khơng hút ngồi Bơm chân khơng có nhiệm vụ hút khí khơng ngưng ngồi để tránh trường hợp khí khơng ngưng tồn thiết bị ngưng tụ nhiều, làm cho áp suất thiết bị ngưng tụ tăng lên, làm cho nước chảy ngược lại sang nồi cô đặc 10 ⇒ D(1 - φ)( i”D - cθ) + Gđcđ= Gccc + Qtt Thay Qtt = εQD = 0,05QD Gđ =Gc =G ⇒ QD = D(1 - ε)(1 - φ)( i”D - cθ) = G(cc) ⇒ Lượng đốt biểu kiến: D = = 0,0318 (kg/s) Nhiệt lượng đốt cung cấp: QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD =0,318.(1–0,05).(1-0,05).2171000 = 62306,6145 (W) Diện tích bề mặt truyền nhiệt : F = = = 1,49 m2 Số ống truyền nhiệt tính theo cơng thức (III-49), trang 134, [4]: n= Trong : F = 1,49 – diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2) l = m – chiều dài ống truyền nhiệt d – đường kính ống truyền nhiệt Ta chọn d = dt = 30 mm Số ống truyền nhiệt là: n = = 15,81 (ống) Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 37 bố trí ống theo hình lục giác Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt tính theo cơng thức V.140, trang 49, [2]: D = t.(b-1) + 4.dn Trong đó: • dn = dt + 2S = 0,025 + 2.0,003 = 0,031 m – đường kính ngồi ống truyền nhiệt • t = β.dn = 1,4.0.031 = 0,0434 m – bước ống b= = =7 ( b - số ống đường xuyên tâm lục giác) ⇒ D = 0,0434.(7 - 1) + 4.0,031 = 0,3844 m Thể tích bình gia nhiệt: V = l = = 0,1161 m3 Dung dịch chảy chậm ống nên thời gian truyền nhiệt lớn, chọn số pass phía vỏ m = Thông số Ký hiệu DUNG DỊCH NaCl G xđ Suất lượng Nồng độ Nhiệt độ đầu vào Nhiệt độ đầu Nhiệt dung riêng đầu vào Nhiệt dung riêng đầu cđ cc HƠI ĐỐT Đơn vị Giá trị kg/h %wt o C o C J/(kg.K) J/(kg.K) 2500 15 30 89,38 3558,1 2196,6 18 Áp suất Nhiệt độ ẩn nhiệt ngưng tụ Chiều cao thiết bị gia nhiệt Đường kính ống truyền nhiệt Đường kính ngồi ống truyền nhiệt Nhiệt lượng đốt cung cấp Lượng đốt biểu kiến pD tD rD H dt dn QD D at C kJ/kg m m m W kg/s o 132,9 2171 0,025 0,031 62306,6145 0,0318 II THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Chọn thiết bị ngưng tụ - Lượng khí bổ sung sinh thiết bị đặc bao gồm: • Hơi nước (chủ yếu) • Dung mơi dễ bay • Khí khơng ngưng - Khí bổ sung cần giải phóng để tạo chân khơng Thiết bị ngưng tụ kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu - Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) Trong đó, nước làm lạnh nước ngưng tụ chảy xuống cịn khí khơng ngưng bơm hút từ phần thiết bị qua phận tách lỏng - Chiều cao ống baromet chọn cho tổng áp suất thiết bị cột áp thuỷ tĩnh với áp suất khí Tính thiết bị ngưng tụ - Theo bảng VII.1, trang 97, [2]: nhiệt độ khơng khí trung bình TPHCM t = 27,2 0C độ ẩm tương đối φ = 77 % Theo giản đồ h – x khơng khí ẩm,h = 72,5 kJ/kg khơng khí ẩm - Nhiệt độ bầu ướt chọn tư = 23 oC Nhiệt độ đầu nước lạnh chọn t2d = 23 + = 26 oC - Với pc = 0,5 at tc = 91,28 oC: Nhiệt độ cuối nước lạnh chọn t2c = tc – 10 = 91,28 – 10 = 81,28 oC - Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng khơng khí cần hút tính theo cơng thứcVI.47, trang 84, [2]: Gkk = 0,000025.W + 0,000025.Gn + 0,01.W; kg/s Trong đó: • Gn – lượng nước tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, tính theo cơng thức VI.51, trang 84, [2]: = Với: W = 1250 kg/h – lượng thứ vào thiết bị ngưng tụ i = 2646 kJ/kg – nhiệt lượng riêng nước (bảng I.251,trang314,[1]) cn = 4180 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình nước 19 ⇒ Gn = = 3,4655 kg/s ⇒ Gkk = 0,000025 + 0,000025.3,4655 + 0,01 = 0.0036 kg/s - Đối với thiệt bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ khơng khí tính theo cơng thức VI.50, trang 84, [2]: tkk = t2d + + 0,1.(t2c – t2d) = 26 + + 0,1.(81,28 – 26) = 35,528 oC ⇒ ph = 0,057 at (tra giản đồ h – x khơng khí ẩm) -Thể tích khơng khí cần hút tính theo cơng thức VI.49, trang 84, [2]: Vkk = = = 0,00346 m3/s Kích thước chủ yếu thiết bị ngưng tụ: - Thông thường, suất tính tốn chọn lớn 1,5 lần so với suất thực tế Khi đó, đường kính thiết bị tính theo cơng thức VI.52, trang 84, [2]: = 1,383 Trong đó: • ρh = 0,3027 kg/m3 – khối lượng riêng thứ 0,5 at (tra bảng I.251, trang 314, [1]) • ωh = 20 m/s – tốc độ thứ thiết bị ngưng tụ (chọn) ⇒ = 1,383 = 0,3312 m Chọn = 0,5 m = 500 mm Kích thước thiết bị ngưng tụ baromet chọn theo bảng VI.8, trang 88, [2]: Kích thước Ký hiệu Giá trị;mm Đường kính thiết bị Dtr 500 Chiều dày thành thiết bị S Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị ao 1300 Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị an 1200 Bề rộng ngăn b Khoảng cách từ tâm thiết bị ngưng tụ thiết bị K1 675 thu hồi Chiều cao hệ thống thiết bị H 4300 Chiều rộng hệ thống thiết bị T 1300 Đường kính thiết bị thu hồi D1 400 Chiều cao thiết bị thu hồi h1(h) 1440 Đường kính thiết bị thu hồi D2 Đường kính cửa vào: Hơi vào d1 300 Nước vào d2 100 Hỗn hợp khí vào d3 80 Nối với ống baromet d4 125 Hỗn hợp khí vào thiết bị thu hồi d5 80 Hỗn hợp khí thiết bị thu hồi d6 50 Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet d7 50 Ống thơng thiết bị d8 - Kích thước ngăn: 20 Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt Chiều rộng ngăn xác định theo công thức VI.53, trang 85, [2]: b = + 50 = + 50 =300 mm Có nhiều lỗ nhỏ đục ngăn, nước làm nguội nước nên đường kính lỗ chọn d = mm - Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ thứ: Nhiệt độ trung bình nước: ttb = = = 53,64 oC ⇒ ρn = 986,3 kg/m3 (bảng I.249, trang 310, [1]) ⇒ Vn = = = 0,003514 m3/s Chọn chiều cao gờ ngăn h = 40 mm, chiều dày ngăn δ = mm, tốc độ tia nước ωc = 2,62 m/s Tổng diện tích bề mặt lỗ tồn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ, nghĩa cặp ngăn là: f = = = 1,32 m2 Chọn tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ = 0,1 Các lỗ xếp theo hình lục giác Bước lỗ xác định công thức VI.55, trang 85, [2]: t = 0,866 = 0,866.2.0,10,5 = 0,55mm Mức độ đun nóng nước: P = = = 0,8468 Tra bảng VI.7, trang 86, [2] với d = mm P = 0,774: • Số ngăn n = • Số bậc n = • Khoảng cách ngăn h = 400 mm • Thời gian rơi qua bậc τ = 0,41 s Trong thực tế, thiết bị ngưng tụ từ lên thể tích giảm dần Do đó, khoảng cách hợp lý ngăn nên giảm dần theo hướng từ lên khoảng 50 mm cho ngăn Chọn khoảng cách ngăn 400 mm Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị 1300 mm Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị 1200 mm Chiều cao phần gờ nắp 50 mm Chiều cao phần nắp ellipse 125 mm Chiều cao phần đáy nón 175 mm ⇒ Chiều cao thiết bị ngưng tụ: H = 125 + 50 + 1300 + 400.7+ 1200 + 175 = 5650 mm Kích thước ống baromet: - Chọn đường kính ống baromet d = 100 mm = 0,1 m - Tốc độ nước lạnh nước ngưng tụ chảy ống baromet tính theo công 21 thức VI.57, trang 86, [2]: d = ⇒ = = = 0,044 m/s -Chiều cao ống baromet tính theo cơng thức II-15, trang 102, [4]: H’ = h1 + h2 + h3 + h4; m Chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h1 tính theo cơng thức VI.59, trang 86, [2]: h1 = 10,33 ; m Trong đó: b- độ chân khơng thiết bị ngưng tụ ; mmHg b = 760 – 0,5.735,5 = 392,25 ⇒ h1 = 10,33 = 5,3315 mm Chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống h2 tính theo công thức VI.60, trang87, [2]: h2 = ( + λ + ∑ξ) ; m chọn hệ số trở lực vào ống ξ1 = 0,5 ống ξ2 = ⇒ ∑ξ = 1,5 Nước lạnh nước ngưng tụ có : ttb = 53,64 oC ρn = 986,3 kg/m3 μn = 0,000519 Ns/m2 ⇒ Re = = = 95019,27 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Regh = 6.= 6.= 7289,343 Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 239201,5 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1.= 0,0251 ⇒ h2 = = 0,00546 + 0,00055 H’ ; m Chọn chiều cao dự trữ h = 0,5 m để đề ngăn ngừa nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn áp suất khí tăng • Chọn chiều cao đoạn ống baromet ngập bể nước h4 = 0,5 m ⇒ H’ = 5,3315 + 0,00546 + 0,00055.H’ + 0,5 + 0,5 ⇒ H’ = 6,34 m Chọn chiều cao ống baromet H’ = m Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị W tc pc kg/h o C at 1250 91,28 0,5 HƠI VÀO Suất lượng Nhiệt độ Áp suất 22 Enthalpy i kJ/kg 2646 NƯỚC LÀM NGUỘI o Nhiệt độ đầu vào t2đ C o Nhiệt độ đầu t2c C Nhiệt dung riêng cn J/(kg.K) Lưu lượng khối lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ Gn kg/s Lưu lượng thể tích nước lạnh cần ngưng tụ Vn m3/s Áp suất bão hòa ph At KHƠNG KHÍ NGƯNG Lưu lượng khối lượng kk dc hút thiết bị Gkk kg/s Lưu lượng thể tích khơng khí dc hút thiết bị Vkk m3/s o Nhiệt độ tkk C ĐƯỜNG KÍNH TRONG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Khối lượng riêng thứ ρh kg/m3 Tốc độ thứ m/s Đường kính Dtr mm KÍCH THƯỚC TẤM NGĂN Chiều rộng ngăn b mm Đường kính lỗ ngăn d mm Bề dày ngăn mm Bước lỗ t mm CHIỀU CAO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Mức độ đun nóng nước P Số ngăn z Cái Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị a0 mm Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị an mm Chiều cao H mm KÍCH THƯỚC ỐNG BAROMET Tốc độ nước lạnh nc ngưng chảy ống m/s Đường kính ống d mm Độ chân không b mmHg Chiều cao cột nước cân h1 m Hệ số trở lực vào ξ1 Hệ số trở lực ξ2 Khối lượng riêng nước lạnh nước ngưng Kg/m3 Độ nhớt động lực Ns/m2 Chuẩn số Reynolds Re Hệ số ma sát Chiều cao H’ m Chiều cao thiết bị ΣH = H + H’ = 5,65 + = 12,65 m 26 81,28 4180 3,4655 0,003514 0,057 0,0036 0,00346 35,528 0,3027 20 500 175 0,55 0,8463 1300 1200 5650 0,044 100 392,25 5,3315 0,5 986,3 0,000519 95019,27 0,0251 III BỒN CAO VỊ - Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng dung dịch nhập liệu Bồn đặt độ cao phù hợp nhằm thắng trở lực đường ống cao so với mặt thoáng dung dịch nồi cô đặc - Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) 23 –2 (mặt thống nồi đặc): + + = + + + Trong đó: • v1 = v2 = m/s • p1 = at • p2 = p0 = 0,5237 at • ρ = 1130 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch NaCl ttb = 59,69 oC (bảng 4, trang 11, [8]) • μ = 0,00025 Ns/m2 – độ nhớt động lực dung dịch NaCl ttb (bảng I.107,trang 100, [1]) • z2 - khoảng cách từ mặt thống dd nồi đặc đến mặt đất; m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = 2,5 + 0,946 + 1,5 + 0,04 + 0,2 = 5,186 m Với: z’ = 2,5 m – khoảng cách từ phần nối ống tháo liệu đáy nón đến mặt đất Hđ = 0,906 + 0,04 = 0,946 m – chiều cao đáy nón Hbđ = 1,5 m – chiều cao buồng đốt Hgc = 0,04 m – chiều cao gờ nón cụt Hc = 0,2 m – chiều cao phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 32 mm = 0,032 m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc l = 20 m Tốc độ dung dịch ống: v = = = 0,7641 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 54176,1882 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Regh = 6.= 6.= 1982,1911 Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 66383,1202 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1 = 0,0324 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục Số lượng Đầu vào 0,5 ξ vào Đầu 1 ξ o Khuỷu 90 ξ khuỷu90 Van cửa 1,5 ξ van 24 ⇒ ξ = 0,5 + + + 2.1,5 = 10,5 ⇒ Tổng tổn thất đường ống: h1-2 = ( +ξ) = ( +) = 0,9150 m ⇒ Khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất: = + + = 5,186 + + 0,9150 = 1,7 m ⇒ Dung dịch NaCl tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc nồi đặc bồn có độ cao từ 1,7 m trở lên Chọn khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất 2,5 m IV BƠM Bơm chân không Công suất bơm chân không ;W Trong đó: m – số đa biến, có giá trị từ 1,2 đến 1,62 Chọn m = 1,62 p1 – áp suất khơng khí thiết bị ngưng tụ p1 = pc – ph = 0,5 – 0,0570 = 0,4430 Với: ph – áp suất nước hỗn hợp p2 = pa = at = 9,81.104 N/m2 – áp suất khí Vkk – lưu lượng thể tích khơng khí cần hút = 0,8 – hệ số hiệu chỉnh = 183,3235 W Tốc độ hút 760 mmHg S = 0,0036.60 = 0,2160 m3/phút Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ Cơng suất bơm: ; kW Trong đó: H – cột áp bơm; m N – hiệu suất bơm Chọn = 0,75 = 996,66 kg/m3 – khối lượng riêng nước 26 Q – lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ; m3/s m3/s - Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) –2 (mặt thoáng nồi cô đặc): + + +H= + + + 25 Trong đó: • v1 = v2 = m/s • p1 = at • p2 = 0,5 at • μ = 0,000874 Ns/m2 – độ nhớt động lực nước 26 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) • z1 = m – khoảng cách từ mặt thống bể nước đến mặt đất • z2 = 12 m – khoảng cách từ mặt thoáng thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 100 mm = 0,1 m ⇒ v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = 13 m Tốc độ dòng chảy ống: v = = = 0,4456 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 50813,6952 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Regh = 6.= 6.= 7289,3432 Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 239201,5204 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1.= 0,0264 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục Số lượng Đầu vào 0,5 ξ vào Đầu 1 ξ o Khuỷu 90 ξ khuỷu90 Van cửa 1,5 ξ van ⇒ ξ = 0,5 + + + 1,5.2 = 6,5 ⇒ Tổng tổn thất đường ống: h1-2 = ( +ξ) = ( +) = 0,1005 m ⇒ Cột áp bơm: H = (z2 – z1) + + h1-2 = (12 2) ++ 0,1005 = 5,0837 ⇒ N = = 587,20 W Chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, bẩn Ký hiệu bơm K Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị - Công suất bơm: N = ;kw 26 Trong đó: • H – cột áp bơm; m • η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 • ρ = 1143,5 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch NaCl 30 oC (tra bảng 4,trang 11,[8]) • Q – lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ; m3/s Q = = = 0,000607 m3/s - Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) –2 (mặt thoáng nồi cô đặc): + + = + + + Trong đó: • v1 = v2 = m/s • p1 = at • p2 = at • μ = 0,000543 Ns/m2 – độ nhớt động lực dung dịch NaCl 15% 30 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) • z1 = m – khoảng cách từ mặt thống bể nước đến mặt đất • z2 = 3,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 30 mm = 0,03 m ⇒ v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = m Tốc độ dòng chảy ống: v = = = 0,7682 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 48532,4144 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm • Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1] Regh = 6.= 6.= 1841,2497 • Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 61734,1322 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1.= 0,0330 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục Số lượng Đầu vào 0,5 ξ vào Đầu 1 ξ o Khuỷu 90 ξ khuỷu90 Van cửa 1,5 ξ van 27 ⇒ ξ = 0,5 + + 1.3+ 1,5.2 = 7,5 ⇒ Tổng tổn thất đường ống: h1-2 = ( +ξ) = ( +) = 0,4571 m ⇒ Cột áp bơm: H = (z2 – z1) + + h1-2 = (3,5 -2) + 0,4571 = 1,9571 m ⇒ N = = 0,0178 kw Chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, bẩn Ký hiệu bơm K Bơm tháo liệu - Cơng suất bơm: N = ;kw Trong đó: • H – cột áp bơm; m • η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 • ρ = 1114,36 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch NaCl 30% 91,28 oC (tra bảng 4, trang11, [8]) • Q – lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ; m3/s Q = = = 0,000312 m3/s - Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) –2 (mặt thoáng nồi cô đặc): + + = + + + Trong đó: • v1 = vhút = v; m/s • V2 = • p2 = po + + = 0,5237+ 2.0,0228 + = 0,6717 at • p1 = at • μ = 0,000338 Ns/m2 – độ nhớt động lực dung dịch NaCl 91,28 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) • z1 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bể nước đến mặt đất • z2 = m – khoảng cách từ mặt thoáng thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m ⇒ vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = m Tốc độ dòng chảy ống: v = = = 0,4414 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 27324,8985 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm 28 Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Regh = 6.= 6.= 1158,419 Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 39122,15 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1.= 0,0368 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục Số lượng Đầu vào 0,5 ξ vào Đầu 1 ξ o Khuỷu 90 ξ khuỷu90 Van cửa 1,5 ξ van ⇒ ξ = 0,5 + + 4.1 + 2.1,5 = 8,5 ⇒ Tổng tổn thất đường ống: h1-2 = ( +ξ) = ( + ) = 0,15 m ⇒ Cột áp bơm: H = (z2 – z1) + + h1-2 = (2 1) ++ 0,15 = 2,48 m ⇒ N = = 0,0122 kw Chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang 29 KẾT LUẬN Các phần tính tốn cho thấy: - - Hệ thống cô đặc chân không nồi liên tục dung dịch NaCl với suất nhập liệu 2500 kg/h đơn giản Vì suất khơng cao nên kích thước thiết bị mức độ vừa phải Kết cấu thiết bị đơn giản điều khiển tự động Vì vậy, nhìn chung hệ thống phù hợp với quy mơ phịng thí nghiệm quy mơ pilot 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nhiều tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa tập 1, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [2] Nhiều tác giả, Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [3] Phạm Văn Bơn, Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm,tập 10 [4] Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt chuyển khối, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [5] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, Q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học thực phẩm, tập [6] Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế thiết kế thiết bị hóa chất chế biến thực phẩm đa dụng, Bộ giáo dục đào tạo, Viện Đào tạo mở rộng [7] Hồ Lê Viên, Tính tốn, Thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí, NXB Khoa học Kỹ thuật,2006 [8] Bộ môn Máy thiết bị, Bảng tra cứu Qúa trình học – Truyền nhiệt – Truyền khối, NXB ĐHQG TPHCM, 2009 31 [9] Sách Quá trình thiết bị Truyền Nhiệt, Khoa máy thiết bị hóa học, Trường ĐHCN TPHCM,2011 32 ... VỀ CÔ ĐẶC I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Thiết kế thiết bị cô đặc nồi để cô đặc dung dịch NaCl Nồng độ đầu: xđ = 15% Nồng độ cuối: xc = 30% Năng suất nhập liệu: Gđ = 2500kg/h Gia nhiệt nước bão hoà, áp suất. .. - Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn - Cô đặc. .. nguyên lý thiết bị cô đặc IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Phân loại ứng dụng 1.1 Theo cấu tạo - Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung