ti =tch - ∑ ti = T – ts ts = t’ +’ +’’
Hiệu số nhiệu độ có ích của từng nồi:
Nồi 1ti1 = T1 – ts1 = T1 – (t1’ +1’ +1’’) oC Nồi 2:ti2 = T2 – ts2 = T2 – (t2’ +2’ +2’’) oC Nồi 3:ti3 = T3 – ts3 = T3 – (t3’ +3’ +3’’) oC Trong đó:
• ti1,ti2,ti3: Hiệu số nhiệt độ có ích của nồi 1, nồi 2, nồi 3 (oC)
• T1, T2, T3: nhiệt độ hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3 (oC)
• t1’
, t2’
, t3’
: nhiệt độ hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3 (oC)
• 1’,2’,3’: tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (oC)
• 1’’,2’’,3’’: tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (oC)
Hiệu suất nhiệt độ có ích của cả hệ thống:
Σ∆ti = ∆ti1 + ∆ti2 + ∆ti3
Bảng 3.4. Hiệu số nhiệt độ có ích của từng nồi
T (oC) t’ (oC) ’ (oC) ” (oC) Ts (oC) ti (oC) Nồi I 143 118 2,13 2 122,13 20,87 Nồi II 118 93 4,14 2 99,14 18,86 Nồi III 93 61 8,34 4 73,34 19,66 Tổng 3 nồi ∑ti = 59,39
3.3 Cân bằng nhiệt lượng 3.3.1 Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% C = 4186(1 - x) J/(kg.K)[4] Trong đó:
• x: nồng độ chất hòa tan (% khối lượng)
• C: nhiệt dung riêng (J/(kg.K)) Nhiệt dung riêng dung dịch đầu:
Cđ = 4186(1 - 0,10) = 3767,4 J/(kg.K) C = Cht . x + 4186(1 - x) J/(kg.K) [4] Trong đó
• Cht: nhiệt dung riêng của chất hoà tan (J/(kg.K))
• Cđ: nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu CNa = 26000 J/(kg.K) CO = 16800 J/(kg.K) CH = 9630 J/(kg.K) Cht = 1 CNa: 1 CH:1 CO = 1310,75 J/(kg.K) MNaOH
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1:
C1 = 1310,75 x 0,45 + 4186(1 - 0,45) = 2892,14 J/(kg.K) Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2:
C2 = 1310,75 x 0,2187 + 4186(1 - 0,2187) = 3557,18 J/(kg.K) Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3:
C3 = 1310,75 x 0,1397 + 4186(1 - 0,1397) = 3784.33 J/(kg.K)
3.3.2 Cân bằng nhiệt lượng
• D: Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h.
• Gđ: Lượng dung dịch ban đầu, kg/h.
• ϕ : Độ ẩm của hơi đốt.
• i, i1, i2: Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg.
• tđ, t1, t2, t3: Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3 của dung dịch,
• Cđ, C1, C2, C3: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3 của dd, J/(kg.K).
• 1,2,3: Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1, nồi 2, nồi 3.
• Cng1, Cng2, Cng3: Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 J/(kg.K).-
• Qxq1, Qxq2, Qxq3: Nhiệt mất mác ra môi trường xung quanh, J.
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1: Di + (Gđ – W2 – W3) C2 t2 = W1 i1 + D Cng1 θ1 + (Gđ – W) C1 t1 + Qxq1 Nồi 2: W1 i1 + (Gđ – W3) C3 t3 = W2 i2 + (Gđ – W2 – W3) C2 t2 + W1 Cng2 θ2 + Qxq2 Nồi 3: W2 i2 + Gđ Cđ tđ = W3 i3 + (Gđ – W3) C3 t3 + W2 Cng3 θ3 + Qxq3 W=W1+W2+W3 Qxq1 = 0,05 D(i – Cng1 θ1) Qxq2 = 0,05 W1 (i1 – Cng2 θ2) Qxq3 = 0,05 W2 (i2 – Cng3 θ3)
Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 [4]:
i = 2679 kJ/kg i1 = 2708,9 kJ/kg i2 = 2667 kJ/kg i3 = 2610,3 kJ/kg
Nhiệt độ sôi của dung dịch: tđ = 100o C
t1 = 118o C t2 = 93o C t3 =61o C
Nhiệt dung riêng của dung dịch: Cđ = 3,7674 kJ/(kg.K)
C1 = 2,89214 kJ/(kg.K) C2 = 3,55718 kJ/(kg.K) C3 = 3,78433 kJ/(kg.K)
Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):
1 = 143 oC
2 = 118 oC
3 = 93 oC
Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ: Cng1 = 4,287 kJ/kg.độ
Cng2 = 4,241 kJ/kg.độ Cng3 = 4,265 kJ/kg.độ
Thay các giá trị tra được bên trên vào các phương trình cân bằng nhiệt lượng và giải hệ 3phương trình 3 ẩn số W1, W2, W3, ta được: W1 = 1398,15 (kg/h) W2 = 1263,27 (kg/h) W3 = 1217,47 (kg/h) D = 1932,18 (kg/h) Bảng 3.5. ộ chênh lệch lƣợng hơi thứ W gt Wtt W Nồi I 1421,62 1398,15 1.65% Nồi II 1292,38 1263,27 2.25.% Nồi III 1174,89 1217,47 3.5%
CHƢƠNG 4TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 4.1 Tính bề mặt truyền nhiệt 4.1.1 Độ nhớt (m): Sử dụng công thức Pavalov: t1 − t2 1−2 Trong đó: • t1, t2 là nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là µ1, µ2.
• 1,2: nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là µ1, µ2. Thường ở đây người ta lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn. [Bảng I.102/94]
Chọn t1 = 30oC, ta có µ1 = 1,45.10-3 N.s/m2 1 = 6,6oC t = 40oC, ta có µ = 1,16.10-3 N.s/m2 2 = 14,3oC 2 1 t1 − t2 1 3 1 −2 Từ đó ta có:s s; 2 k Nồi I:s1 = 77,48oC µs1 = 0,95.10-3 N.s/m2 Nồi II:s2 = 59,79 oC µs2 = 1,98.10-3 N.s/m2 Nồi III:s3 = 39,9oC µs3 = 19.10-3 N.s/m2
4.1.2 Hệ số truyền nhiệt (I)
λd được tính theo công thức I.32/123 [4]
3
Cp √ Trong đó:
• A: Hệ só phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước. Thường lấy A = 3,58.10-8.
• Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch,
• ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng
• M: Khối lượng Mol của chất lỏng Ta có: Mi = mi.MNaOH + (1 - mi). MH2O M1 = 27,9 λdd1 = 0,538 M2 = 22,81 λdd2 = 0,557 M3 = 21,07 λdd3 = 0,586 4.1.3 Hệ số cấp nhiệt
Mô tả sự truyền nhiệt qua vách ống :
Thiết bị cô đặc có khu vực sôi bố trí bên trong ống, phía ngoài ống có một lớp nước ngưng tụ. Màng nước ngưng này có ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Đồng thời sát thành ống phía bên trong có một lớp cặn dung dịch bám vào, lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giai đoạn:
-
Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1, w/m2
-
Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày
-
Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2, w/m2.
4.1.3.1 Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị
q1 = a1 . Δt1 Trong đó: Δt1 hiệu số nhiệt độ của hơi: Δt1 = thđ – tT1 Chọn Δt1 = 1,6 với nồi I
Δt2 = 1,8 với nồi II Δt3 = 2,5 với nồi III
Khi tốc độ của hơi nhỏ (10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau:
1 = 2,04A √ (W/m2
.độ)
Trong đó:
3 0 25 A = ( )
• Δt1 = t1 – tw1: Hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị, (Chọn t1 là nhiệt độ của hơi đốt)
• r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, J/kg.
• H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m.
Chọn H = 3m.
Với nước ngưng tụ giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng. Công thức tính nhiệt độ màng tm: tm = 0,5.(tw1 + t1) A phụ thuộc tm (nhiệt độ màng) Bảng 4.1. Bảng giá trị A tm (oC) 40 60 80 100 120 140 160 180 200 A 139 155 169 179 188 194 197 199 199
Giá trị được tính dưới bảng sau: (∆t1 được giả thuyết và kiểm tra bên dưới)
Bảng 4.2. Giá trịt1 t1 (oC) tv1 (oC)t (oC) tm1 (oC) A R H α 1 q 1 1 Nồi I 143 141,40 1,60 142,20 194,66 2333 3 10485 16776,26 Nồi II 118 116,20 1,80 117,10 186,70 2285 3 9714 17484,71 Nồi III 93 90,50 2,5 91,75 174,88 2234 3 8334 20835,47
4.1.3.2 Giai đoạn cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch
q2 = a2 (t2 – tw2) = a2 . Δt2 Trong đó: ∆t2 là hiệu số nhiệt của thành ống và dung dịch sôi Δt2 = tv2 – t2, (Với tv2 : nhiệt độ của thành ống phía dung dịch) t v2 = tv1 - ∆tv’ ∆t v = q1 *∑ q = 1 (t t ) = ( 1 1 )(t t ) w1 ∑ w1 w2 w2
Nhiệt tải riêng của phía dung dịch sôi:
q2 = a2 (tw2 – t2) = a2 . Δt2 Trong đó:
• t1: Nhiệt độ hơi đốt, oC
• t2 : Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, oC
• tw1, tw2: Nhiệt độ 2 bên thành ống, oC
• a1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2
độ.
• a2: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m2
độ.
rc1: Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt (nước sạch)
rc1 = 0,232.10-3
(m2
độ/W
rc2: Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch rc2 = 0,387.10-3 (m2 độ/W) : Nhiệt trở thành thiết bị, m2 độ/W.
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉ X18H10T có: = 16,3(W/m.độ)
Chọn bề dày thành ống là: v = 2,0 mm.
Tổng nhiệt trở của tường: ∑ = 1 + + 2= 0,232.10 -3 + 210 3 + 0,387.10 -3 16 3 = 7,417.10-4 (m2 .độ/W) Nồi I : ∆tv = 12,44 0C, tv2 = 128,96 0C, ∆t2 = 6,83 0C Nồi II : ∆tv = 12,97 0C, tv2 = 103,23 0C, ∆t2 = 4,09 0C Nồi III : ∆tv = 12,45 0C, tv2 = 75,05 0C, ∆t2 = 1,710C Trong đó: • a2 được xác định bằng công thức a2 = Ψ. an kJ/ m2.độ.h • Ψ: hệ số hiệu chỉnh
• a2: hệ số cấp nhiệt của nước )0 565 [( 2 0 435 Ψ = ( ) ( ) ( )] (W/m2 .độ) Bảng 4.3. Bảng tổng kết tính Ψ tại các nồi λ ** λ * ρ ** ρ * C ** C * µ dd (.10-3) ** µ n (.10-3) * Ψ dd n dd n dd n Nồi I 0,538 1,037 1407,0 939,19 2892,14 4433,52 0,95 0,192 0.41 Nồi II 0,557 0,952 1176,5 950,13 3557,18 4390,02 1,98 0,237 0.33 Nồi III 0,586 0,867 1142,5 961,06 3784,33 4346,52 0,19 0,306 0.15
*λn, ρn, Cn, µn lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của nước. Các thông số tra bảng I.249/311 [5]
**λdd, ρdd, Cdd, µdd lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của dung dịch. Các thông số tra bảng I.249/311 [5]
an = p . p0,15 . q0,7 Trong đó:
• p: Áp suất làm việc của từng nồi hay là áp suất tuyệt đối trên bề mặt dung dịch.
Dựa vào công thức trên ta tính toán được các kết quả sau: Bảng 4.4. Bảng kết quả q2 và qtb an Ψ a2 Dt2 q2 qtb Nồi I 3239,76 0.41 1871,00 7,86 14714,72 15658,12 Nồi II 2958,56 0.33 1773,18 8,75 15518,36 16615,10 Nồi III 2760,16 0.15 1787,71 11,15 19931,26 20682,13 Bảng 4.5. Bảng kết quả h q1 q2 qtb h (%) Nồi I 16601,53 14714,72 15658,12 5,68 Nồi II 17711,85 15518,36 16615,10 6,19 Nồi III 21433,00 19931,26 20682,13 3,50 4.1.4 Hệ số truyền nhiệt: Tại nồi I: K = 1 K1= = 718,99 W/m2.độ 1 Tương tự cho Nồi II: K2 = 701,41W/m2.độ Nồi III: K3 = 700,00 W/m2.độ Hệ số hữu ích từng nồi: Δth1 (K) = ∑ ,oC ∑ • ΣΔthi: tổng nhiệt độ hữu ích các nồi. Tại nồi I: : Δth1 (K) = ∑ = 19,25oC.
∑
Tương tự ta tính:
Tại nồi III: Δth3 = 20,28oC Sai số nhiệt độ hữu ích:
Bảng 4.6. Sai số nhiệt độ hữu ích
Δthi Δti Η
Nồi I 19,25 20,87 8,41
Nồi II 19,5 18,86 3,28
Nồi III 20,28 19,66 3,06
Các sai số so với giả thiết ban đầu đều nhỏ hơn 10%. Như vậy kết quả cuối cùng có thể chấp nhận được.
Bề mặt truyền nhiệt thực tế. Bề mặt truyền nhiệt của nồi I là:
1 1405596 66 2 F1 = 1 1 718 99 19 25 97,32m 2 1424358 33 2 F2 = 2 2 701 41 19 5 82 91 m 3 1558400 79 2 F3 = 73 04 m 3 3 700 00 20 28 1 2 3 2 Ftb = 3 84 42 m Ftt = 1,1 Ftb = 1,1.83,61 = 92,87 m2
Như vậy dựa vào F1, F2, F3 ta có thể thiết kế hệ thống cô đặc buồng đốt ngoài có diện tích truyền nhiệt bằng nhau và bằng 100 m2. (Ta chọn theo quy chuẩn).
4.2 Tính buồng đốt
4.2.1 Tính số ống truyền nhiệt:
Từ bảng chuẩn VI.6/80 [5], ta chọn:
Chọn đường kính ống truyền nhiệt là: do = 38mm = 0,038m Chiều cao ống truyền nhiệt như đã chọn ở trên là H = 3m Số ống truyền nhiệt là:
n = 100 279 36 p 00383314 n = = 39 38 = 246 (ống) 003415
Chọn theo qui chuẩn n = 331 ống.
Chọn kiểu bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều.
Dựa vào bảng V.11/48 [5] ta chọn cách bố trí ống theo quy chuẩn là: - Số hình 6 cạnh: 10
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 21 ống
- Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân: 331 ống - Số ống trong các hình viên phân:
+ Ở dãy thứ nhất: 6 ống
+ Tổng số ống trong tất cả các viên phân: 36 ống.
4.2.2 Đường kính buồng đốt:
Ta có: Công thức tính đường kính trong của buồng đốt là (V.140/49[5]): Dt = t (b – 1) + 4.d , m
Trong đó:
• b: Số đường ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh
• d: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
• t: Bước ống, chọn t = 1,5 do do = 0,038 t = 1,5.0,038 = 0,057 m
Với d là đường kính ống truyền nhiệt trong buồng đốt. Chọn bề dày ống truyền nhiệt δ = 2mm = 0,002 m
d = d0 + 2. = 0,038 + 2.0,002 = 0,042m = 42 mm Theo cách phân bố thì ta có b = 21
Dt = 0,057. (21 – 1) + 4.0,042 = 1,3m
4.2.3 Tính bề dày của thân buồng đốt:
Vật liệu dùng để chế tạo buồng đốt thường sử dụng thép chịu nhiệt CT3. Dựa vào công thức XIII.8/360[5], ta có bề dày của thân buồng đốt là:
S =2 ; , m
Trong đó:
• Dt: Đường kính trong của buồng đốt,
• δ: Ứng suất cho phép
• φ: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc,
• p: Áp suất trong thiết bị,
• C: Hệ số bổ do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày. Ta có: Dt = 1,3m
Trong trường hợp này ta chọn hệ số bền của thành hình trụ bằng hệ số bền của mối hàn hay φ = φh.
Dựa vào bảng XIII.8/362 [5], chọn φh = 0,95 φ = 0,95.
[δ]: Bao gồm ứng suất khi kéo [δk] và ứng suất cho phép theo giới hạn dòng chảy [δc]. Ứng suất kéo:
[δk] = δ N/m2 XIII.1/355 [5]
n
Với h là hệ số hiệu chỉnh, dựa vào bảng XIII.2/356 [5], chọn h=0,9
nk là hệ số an toàn theo giới hạn bền, dựa vào bảng XIII.2/356 [5], kim loại và hợp kim của kim loại thép không rỉ cán, đập, rèn: chọn nk = 2,6
Do ta chọn vật liệu là thép CT3 nên dựa vào bảng XII.4/309 [5] ta có: [δk] = 380.106 N/m2
[δ]= δ 380 106
0 9 131 54 106 N/m2.
k
n 2 6
Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy:
[δc] = δ N/m2 XIII.1/355 [5]
n
h = 0,9 dựa vào bảng XIII.1/356 [5].
Dựa vào bảng XIII.2/256 [5], ta chọn hệ số an toàn theo giới hạn chảy: nc = 1,5. δc = 240.106 N/m2. XII.4/309[5]. [δ]= δ 240 106 0 9 144 106 N/m2. c n 1 5
Ứng suất cho phép sẽ lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điều kiện bền Hay [δ] = 131,54.106 N/m2.
Đại lượng C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lượng C được xác định theo công thức sau:
C = C1 + C2 + C3 (m) Trong đó:
• C1 là đại lượng bổ sung do ăn mòn, chọn C1 = 1mm.
• C2 là đại lượng bổ sung do hao mòn, đa số trường hợp khi tính toán thiết bị hóa chất ta có thể bỏ qua C2, nên ở đây chọn C2 = 0.
• C3 là đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,4mm, dựa vào bảng XIII.9/364 [5]
C = 1 + 0 + 0,4 = 1,4mm = 0,0014 m.
Áp suất trong thiết bị P là tổng áp suất số áp suất hoi đốt Phđ và áp suất thủy tĩnh của