1.Thiết bị ngưng tụ baromet
Hơi thứ sau khi đi ra khỏi nồi cô đặc cuối cùng được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet để thu hồi lượng nước trong hơi, đồng thời tách khí khơng ngưng dung dịch mang vào hoặc do khe hở của thiết bị. Hơi vào thiết bị ngưng tụ đi từ dưới lên, nước lạnh, nước ngưng tụ chảy xuống ống baromet.
Hệ thống thiết bị: Chọn thiết bị ngưng tụ baromet - thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao.
Sơ đồ như sau:
1. Thân.
2. Thiết bị thu hồi bọt. 3. Ống baromet. 4. Tấm ngăn.
5. Cửa hút chân khơng.
Trong thân 1 gồm có những tấm ngăn hình bán nguyệt.
Ngun lí làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phun nước lạnh vào trong hơi, hơi tỏa nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại. Do đó thiết bị ngưng tụ trực
56 tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng khơng có giá trị hoặc khơng tan trong nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nước làm nguội
Sơ đồ nguyên lí làm việc của thiết bị ngưng tụ baromet ngược chiều loại khơ được mơ tả như hình vẽ. Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống baromet (3) để tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài. Hơi vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy tử trên xuống, chảy tràn qua cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn. Hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí khơng ngưng đi lên sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống baromet. Khí khơng ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chân khơng
Ống baromet thường cao H > 11 m [3 – 106] để khi độ chân khơng trong thiết bị có tăng thì nước cũng khơng dâng lên ngập thiết bị.
Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra mà khơng cần bơm nên tốn ít năng lượng, năng suất lớn.
Trong cơng nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ baromet chân cao ngược chiều loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị trí cuối hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không
Các số liệu cần biết:
- Hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2 = 4285,15kg/h - Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: png = 0,2 at => Tng = 59,7 oC - Các thông số vật lý của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hệ thống: t2’ = 60,7 oC i2’ = 2608444 (J/kg.độ)
p2’= 0,21 at r2’ = 2355556 (J/kg.độ)
1.1. Tính tốn lượng hơi nước ngưng tụ
Công thức VI.51 [2– 84]:
Gn =W2(i − Cn ⋅ t2c )
Cn(t2c− t2đ) (kg/h)
Trong đó:
Gn: lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, kg/s W: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s i: nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi ngưng, J/kg i = i2’ = 2608444 J/kg
t2đ, t2c: nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, oC Chọn t2đ = 25 oC, t2c = 50 oC
=>Nhiệt độ trung bình: ttb = 𝑡2đ+𝑡2𝑐
57 Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ
Tra theo nhiệt độ trung bình I.147 [3 – 165]: Cn (tại 37,5oC) = 4181,04 (J/kg.độ)
𝐺𝑛 =𝑊2(𝑖−𝐶𝑛⋅𝑡2𝑐 )
𝐶𝑛(𝑡2𝑐−𝑡2đ) = 4285,15(2608444−4181,04.50)
4181,04.(50−25) = 98365,52 (kg/h)
1.2. Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ
Theo công thức VI.52 [2 – 84]: Dtr = 0,02305. √ W2
ρh ωh
Trong đó:
Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, m
W2: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s, W2 = 4258,15 (kg/h) ρh: khối lượng riêng của hơi ngưng tụ ở 59,7 oC.
Tra bảng I.250 [1-312] ta có ρh = 0,1286 kg/m3
ωh: tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ. Nó phụ thuộc vào cách phân phối nước trong thiết bị, tức là theo độ lớn của các tia nước. Khi tính tốn với áp suất làm việc là png= 0,2 at ta có thể chọn ωh = 35 m/s
Do đó ta có: Dtr = 0.02305. √4285,15
0,1286.35 = 0,711 𝑚
Quy chuẩn theo bảng VI.8 [4-88], Dtr = 800 mm
1.3. Tính kích thước tấm ngăn
Chiều rộng tấm ngăn có dạng hình viên phân b xác định theo cơng thức:
b =Dtr
2 + 50 (mm)
Trong đó:
Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, mm
b =800
2 + 50 = 450 mm
-Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ.
-Nước làm nguội là nước sạch nên lấy đường kính lỗ là dlỗ = 2mm. -Chiều dày tấm ngăn chọn 𝛿 = 4mm.
-Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn = 40mm
58 = 0,62 m/s
Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong tồn bộ bề mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ: f = Gn. 10 −3 3600ωc = 98365,06. 10−3 3600.0,62 = 0,044 m 2
Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước của các lỗ được xác định theo công thức VI.55 [2 – 85]: t = 0,886. dlỗ. ( f ftb) 0,5 + dlỗ
dlỗ : đường kính của lỗ đĩa đã chọn, dlỗ = 2mm
( f
ftb): tỉ số giữa tổng số diện tích tiết diện của các lỗ với diện tích tiết diện
của thiết bị ngưng tụ, thường lấy ≈ 0,025 ÷ 0,1. Ở đây ta chọn ( f
ftb)= 0,03
Thay số ta được: 𝑡 = 0,866.2. 0,030,5 + 2= 2,3 (mm)
1.4. Tính chiều cao của thiết bị ngưng tụ
Chiều cao thiết bị ngưng tụ phụ thuộc mức độ đun nóng. Mức độ đun nóng được xác định theo công thức:
β =tt2c− t2đ
bh− t2đ [2 − 85]
Trong đó:
𝑡2𝑐, 𝑡2đ: là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh, oC
𝑡𝑏ℎ: là nhiệt độ của hơi nước bão hòa ngưng tụ, oC
β =tt2c− t2đ
bh− t2đ =
50 − 20
59,7 − 25 = 0,72
Dựa vào mức độ đun nóng với điều kiện lỗ dlỗ = 2mm, tra bảng VI.7 [2-86]. Quy chuẩn 𝛽 = 0,727 Số bậc Số ngăn Khoảng cách giữa các ngăn mm
Thời gian rơi qua một bậc (s) Mức độ đun nóng Đường kính tia nước (mm) 4 8 300 0,35 0,727 2
59 Thực tế khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đó khoảng cách hợp lí nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng chừng 50mm cho mỗi ngăn. Theo bảng trên ta có 8 ngăn, khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 300mm, ta chọn khoảng cách giữa 2 ngăn dưới cùng là 400mm.
Chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ sẽ là:
Hhi = 400 + 350 + 300 + 250 + 200 + 150 + 100 + 50 = 1800 (mm)
1.5. Tính kích thước đường kính trong ống baromet
Đường kính ống Baromet được xác định theo công thức VI.57 [2 – 86]:
𝑑 = √0,004. (Gn + W2) 3600. π. ω
𝜔: tốc độ của hỗn hợp nước làm lạnh và nước ngưng chảy trong ống Baromet, m/s
Lấy ω = 0,5m/s
d = √0,004. (98365,06 + 4285,13)
3600. 𝜋. 0,5 = 0,27 m
1.6. Tính chiều cao ống baromet
Xác định chiều cao ống baromet theo công thức VI.58 [2 – 86]: H = h1 + h2 + 0,5 (m)
Trong đó:
h1: chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ.
h1 = 10,33. Pck 760 (m)
Trong đó Pck là độ chân khơng trong thiết bị ngưng tụ:
Pck = 760 − 735,6. Png = 760 − 735,6.0,2 = 612,88 (mmHg)
h1 = 10,33. Pck
760 = 10,33.612,88
760 = 8,33 𝑚
h2: chiều cao cột nước trong ống Baromet để khơi phục tồn bộ trở lực khi nước chảy trong ống. Theo công thức VI.61 [2 – 87]:
h2 = ω 2
2g. (2,5 + λ.H d) , m
Trong đó:
d: đường kính trong ống baromet, d = 0,27 (m)
60
𝜆: hệ số trở lực ma sát khi nước chảy trong ống
λ = 0,3164
Re0,25 𝑅𝑒 = 𝜔𝑑𝜌𝑡𝑏
𝜇 𝜌𝑡𝑏: khối lượng riêng lỏng tại ttb = 37,5oC
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy tại 37,5 oC ta có: 𝜇 = 0,6881.10-3 (N/m2) Tra bảng I.249 [1-310] và nội suy tại 37,5 oC ta có: 𝜌𝑡𝑏= 993,1 (kg/m3 )
𝑅𝑒 = 0,5.0,27.993,1 0,6881. 10−3 = 194838,68 λ = 0,3164 194838,680,25 = 0,015 h2 = 0,5 2 2.9,81. (2,5 + 0,015. H 0,27) H = h1 + h2 +0,5 → H = 8,33 + 0,031588 + 7,07. 10−4H + 0,5 =>Làm tròn H = 8,87 (m)
1.7. Tính lượng hơi và nước ngưng
Lượng khơng khí cần hút: Theo công thức VI.47 [2-84]:
Gkk = 0,000025.W2 + 0,000025.Gn + 0,01.W2 (Kg/h) Gkk = (0,000025 + 0,01).W2 + 0,000025.Gn
Trong đó:
Gn: lượng nước làm nguội tưới vào thiết bị ngưng tụ, kg/h W2: lượng hơi nước vào thiết bị ngưng tụ, kg/h
Gkk = (0,000025+0,01). 4285,13 + 0,000025. 98365,06 = 45,42 (kg/h) Thể tích khơng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ:
Theo công thức VI.49 [2 – 84]:
Vkk = 288Gkk. (273 + tkk) 3600(Png− Ph)
61 theo công thức VI.50 [2 – 84]
tkk = t2d + 4 + 0,1(t2c – t2d) = 25 + 4 + 0,1(50 – 25) = 31,5 oC ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ tkk, N/m2. Tra bảng I.250 [1 – 312]: tkk = 31,5oC ta có, ph = 0,0475.9.81.104 (N/m2) Vkk =288Gkk. (273 + tkk) 3600(Png− Ph) = 288. 45,42. (273 + 31,5 ) 3600. (0,2 − 0,0475). 9,81. 104 = 0,074 (𝑚3/𝑠)
2. Tính tốn bơm chân khơng
Cơng suất của bơm chân khơng tính theo cơng thức:
Nb = L 1000η = m m − 1. Pk. Vkk 1000. η. [( p2 p1) m−1 m − 1] Trong đó: m: chỉ số đa biến, chọn m = 1,25 pk = png – ph = 0,2 – 0,0475 = 0,1525 (at) p1 = png = 0,2 at p2: áp suất khí quyển, p2 = 1 at η: hiệu suất, η = 0,65 Nb = 1,25 1,25 − 1. 0,1525.0,074.9,81. 104 1000.0,65 . [( 1 0,2) 1,25−1 1,25 − 1] = 3,23 kW
Dựa vào Nb chọn bơm theo quy chuẩn ở bảng II.58 [1 – 513], bơm chân khơng vịng nước PMK ta chọn được bơm PMK-1 với các thơng số:
+ Số vịng quay: 1450 vịng/phút
+ Công suất yêu cầu trên trục bơm: 3,75 kW + Công suất động cơ điện: 4,5 kW
+ Lưu lượng nước: 0,01 m3/h
3. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Để đun nóng hỗn hợp đầu người ta gia nhiệt bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm loại đứng dùng hơi nước bão hịa để đun nóng hỗn hợp đầu. Chọn áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hịa p = 5,0 at. Khi đó nhiệt độ hơi nước bão hịa tbh = 151,1 oC (bảng I.251 [1 – 314]).
Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với các thông số (bảng V.10 [2 – 44]): Bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích: 15 – 40 m2/m3
62 Lượng kim loại cần cho một đơn vị tải nhiệt: 1
Lượng kim loại cần cho một đơn vị bề mặt đốt: 30 – 80 kg/m2
Đường kính trong của ống: d = 0,032m Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống.
Chọn loại ống thép X18H10T đường kính d = 32 2 mm, L = 3m
Yêu cầu thiết kế quan trọng nhất của việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là xác định được bề mặt truyền nhiệt. Ngồi ra cịn xác định các thơng số khác như đường kính, chiều cao, số ống và số ngăn thiết bị.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được xác định thơng qua phương trình cơ bản của truyền nhiệt
3.1. Nhiệt lượng trao đổi
𝑄 = 𝐹. 𝐶𝑝. (𝑡𝐹 − 𝑡𝑓), 𝑊
Trong đó:
-F: Lưu lượng hỗn hợp đầu F = 10800 (kg/h)
-Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Cp = C0 = 3976,7 (J/kg.độ) -tF: Nhiệt độ cuối của dung dịch, tF= tso= 116,04 (oC)
-tf: Nhiệt độ đầu của dung dịch, lấy bằng nhiệt độ môi trường, tf = 25 (oC) Thay số vào ta có nhiệt lượng trao đổi của dung dịch là:
𝑄 = 10800
3600 . 3976,7. ( 116,04 − 25) = 1086116,304 (𝑊)
3.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích
Chọn thđ = t1 = 151,10 (oC)
∆tđ = 151,10 – 25 = 126,10 (oC) ∆tc = 151,10 – 116,04 = 35,06 (oC)
Do ∆tđ/∆tc = 3,6> 2 nên nhiệt độ trung bình của hai lưu thể là:
∆t𝑡𝑏 = ∆𝑡đ − ∆𝑡𝑐 𝑙𝑛∆𝑡∆𝑡đ 𝑐 = 126,10 − 35,06 𝑙𝑛126,1035,06 = 71,12 ( ℃)
Hơi đốt có nhiệt độ trung bình t1tb = 151,1 oC
Phía hỗn hợp: t2tb = t1tb – ∆ttb = 151,1 -71,12 = 79,98 oC
3.2.1.Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:
𝛼1 = 2,04. 𝐴1. ( 𝑟1 ∆𝑡1. 𝐻)
0,25
[ 𝑊/𝑚2. độ]
Trong đó:
63 ∆𝑡1: chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 3m
A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
Giả thiết ∆t1 = 3,9 ℃ => tT1 = tbh - ∆t1 = 151,1 – 3,9 = 147,2 ℃
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm = 0,5. (tT1 + ∆t1) = 0,5. (146,5 + 151,1) = 149,15 ℃ nội suy theo bảng số liệu [3 – 29] ta có A = 195,37
Do đó:
𝛼1 = 2,04.195,37. (211700 3,9.3 )
0,25
= 8220,00 [ 𝑊/𝑚2. độ]
3.2.2. Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q1 = α1. ∆t1
= 8220. 3,9 = 32058 (W/m2)
3.2.3.Hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp chảy xốy
Theo cơng thức V.40 [2-14] có: Nu = 0,021. ε1. Re0,8. Pr0,43. (Pr
Prt)0,25
Trong đó:
+ Prt là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của tường + ε1 là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường
kính d của ống. + Tỉ số Pr
Prt thể hiện ảnh hưởng của dịng nhiệt (đun nóng hay làm nguội). Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dịng nhỏ thì (Pr
Prt)0,25 ≈ 1 [3 – 15]
a, Tính chuẩn số Pr
Pr = Cp. μ
λ [ 3 – 12 – V.35] Trong đó:
+ Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại t2tb = 79,89 ℃. + μ là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở t2tb = 79,89 ℃.
+ λ: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch - Độ nhớt.
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước, t1 = 20oC; t2 = 30 oC Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có:
t1 = 20oC, x = 5% → μ11 = 0,98. 10−3 [N.s/m2] t2 = 30oC, x = 5% → μ21 = 0,8. 10−3[N.s/m2]
64 Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có:
μ11 = 0,98. 10−3 [N.s/m2] → θ11= 21,05 oC μ21 = 0,8. 10−3[N.s/m2] → θ21= 30,04 oC
Tại ts1 = 116,04 oC, dung dịch có độ nhớt là μdd1 tương ứng với đột nhớt của nước có nhiệt độ là θ31:
20 − 30 21,05 − 30,04=
30 − 116,04
30,04 − 𝜃31 => 𝜃31 = 107,39℃
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ31 = 105,07 oC ta được μdd1 = 0,2632. 10-3 [N.s/m2]
- Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch xác định theo công thức
λ = A. Cp. ρ. √ρ M
3
(W/m2. độ) [2 – 123 – I.32] Trong đó
+ Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttb = 79,89 ℃. Đã tính được Cp = 3976,7 (J/kg. độ)
+ ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng ρ = 1000,125 (kg/m3) [bảng I.46-1-42] + M là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu
M = MKNO3. NKNO3 + MH2O. NH2O = 101. NKNO3 + 18. (1 – NKNO3) NKNO3: Phần mol của KNO3 trong dung dịch
𝑁𝐾𝑁𝑂3(1) = 𝑥1 𝑀𝐾𝑁𝑂3 𝑥1 𝑀𝐾𝑁𝑂3+ 1 − 𝑥1 𝑀𝐻2𝑂 = 0,05 101 0,05 101 + 1 − 0,05 18 = 0,0093
Thay vào cơng thức trên ta có:
M1= 101.0,0093+ 18. (1-0,0093) = 18,77
+ A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng. A = 3,58. 10-8 [2 – 123] Thay số λ = 3,58. 10-8. 3976,7. 1000,125. √1000,125 18,77 3 = 0,536 (W/m2. độ) Do đó: Pr = 3976,7. 0,2632.10 −3 0,536 = 1,95
3.2.4. Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống:
∆tT = tT1 − tT2 = q1. ∑ r Trong đó:
65 r1; r2: nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của thành ống.
Tra bảng II.V.1 [2-4]:
r1 = 0,000387 [m2.độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch r2 = 0,000232 [m2.độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hịa
𝛿: bề dày ống truyền nhiệt, 𝛿 = 2. 10−3(𝑚)
∑ r: tổng nhiệt trở ở 2 bên ống truyền nhiệt: Ống dẫn nhiệt làm bằng vật liệu X18H10T có λ = 16,3 W/m.độ ∑ 𝑟 = 𝑟1+ 𝑟2+ 𝛿 𝜆 [𝑚 2. độ/𝑊] Thay số: ∑ 𝑟 = 𝑟1+ 𝑟2 + 𝛿 𝜆 = 0,000387 + 0,000232 + 2. 10−3 16,3 = 0,000742 [𝑚 2. độ/𝑊] ∆tT =32058 .0,742. 10−3 = 23,8 (oC) tT2 = 𝑡1 − ∆𝑡1 − ∆tT = 151,1 – 3,9 – 23,8 = 123,4 (oC) ∆t2 = tT2 − t2tb = 123,40 – 79,98 = 43,42 (oC) 3.2.5. Tính chuẩn số Prt Pr = Cp. μ λ
Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường vào dịng nhỏ thì 𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡 = 1
Thay số: Nu = 0,021. 1.100000,8. 1,950,43. 1 = 44,35 Do đó α2 = Nu. λ
d = 44,35. 0,536
0,032 = 742,86 (W/m2. độ)
3.2.6. Nhiệt tải riêng về phía dung dịch:
q2= 𝛼2. ∆𝑡2 = 742,86 .43,42 = 32255,09 (W/m2) Kiểm tra sai số:
𝜀1 = |𝑞1− 𝑞2|
𝑞1 =
|32058,00 − 32255,09|
32058,00 = 0,61 %