1. Thiết bị gia nhiệt
- Chọn loại thiết bị ống trùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống - Dòng nhập liệu (dòng lạnh): tD= 30 0C tC= 102,201 0C ttb = = = 66,1005 0C - Dòng hơi đốt (dòng nóng): tD = tC = 142,9 0C Hiệu nhiệt độ đầu vào:
tvao = 142,9 – 30 = 112,9 0C tra = 142,9 – 102,201 = 40,699 0C Hiệu số nhiệt độ trung bình:
tlog = = = 70,76 0C
a. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi nhỏ (w=10 m/s), màng nước ngưng chuyển động dòng (do ống truyền nhiệt ngắn h0=1m), ngưng hơi bão hòa trên bề mặt đứng. Ta có công thức V.101,[2], tr 28:
1 = 2,04.A.( Trong đó:
- r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 4 at Theo [2], tr 314 : r = 2141 kJ/kg
- H: chiều cao ống truyền nhiệt ( H = h0 = 1m)
- A: hệ số, phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng, tm =
Sau nhiều lần tính lặp ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 140,10C
tm = = 141,5 0C
Tra A ở [2], tr 28: A = 194,45 - = tD – tv1 = 142,9 – 140,1 = 2,8 0C
1 = 2,04.194,45.( = 11730,13 W/m2K Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
q1 = 1. = 32844,364 W/m2K
b. Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch
Chất lỏng sôi nhẹ, chất lỏng chuyển động cưỡng bức nên hệ số cấp nhiệt tính theo các công thức chuyển động cưỡng bức.
Sau khi tính lặp, ta chọn tv2 = 110,0186 0C
tW = = = 125,0593 0C Các thông số hóa lý của dung dịch NaOH 18% ở tw và ttb:
Thông số tw = 125,0593 0C ttb = 66,1005 0C ; W/m.K 0,5787 0,5655 ; kg/m3 1130,01 1171,97 c; J/kg.K 3752,51 3733,49 ; Ns/m2 0,000967 0,001387 Trong đó:
+ : hệ số dẫn nhiệt (W/m.K), tra bảng I.130, tr 135,[1] + : khối lượng riêng (kg/m3), tra bảng 4, tr 11,[8]
+ c: nhiệt dung riêng (J/kg.K), tra bảng I.107, tr 100,[1] + : độ nhớt động lực học (Ns/m2), tra bảng I.107, tr 100,[1] Chuẩn số Prandtl:
Pr = = = 9,1591 Prw = = = 6,2723
Chọn tốc độ của dung dịch NaOH 18% trong ống truyền nhiệt là v = 1 m/s Đường kính trong của ống truyền nhiệt là d = 25 mm
Chuẩn số Re:
Re = = = 21119,62 > 10000
Áp dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt khi dòng chảy rối trong ống (Re>10000): Nu = 0,021..Re0,8.Pr0,43.( Chọn l = 1m => = 40 => = 1,02 Nu = 0,021.1,02.21119,620,8.9,1510,43.(0,25 = 175,9025 2 = = = 3978,915 W/m2K tv2 = 110,0186 0C => t2 = tv2 – tc = 110,0816 – 102,201 = 7,886 0C q2 = 2.t2 = 3978,915.7,886 = 31377,72 W/m2
c. Nhiệt tải riêng phía tường
Theo [3], BT và Ví dụ ta có: qv = Trong đó: tổng trở vách = r1 + + r2 = 0,3448.10-3 + + 0 = 0,529.10-3 m2K/W Với:
+ r1 = = 0,3448.10-3 m2K/W: nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31,tr 29,[8])
+ r2 = 0 m2K/W: nhiệt trở phía hơi nước + = 3mm = 0,003m: bề dày ống truyền nhiệt
+ =16,3 W/m.K: hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, tr.313,[2], với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)
tv = tv1 – tv2: chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường
tv = qv. = 31377,72. 0,529.10-3 = 16,59 Sai số = .100 = -2,4724% < 5% Vậy các thông số ta chọn phù hợp
Diện tích bề mặt truyền nhiệt Nhiệt tải trung bình:
qtb = = 32111,042 W/m2
Tương tự như tính cân bằng năng lượng cho buồng đốt, ta tính được lượng hơi đốt phải dùng biểu kiến:
D =
Vì nước ngưng chảy ra không có quá lạnh sau khi ngưng nên iD = rD = 2141 kj/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).
Nhiệt tổn thất Qtt = 5% QD
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = 0,06(1-0,05)(1-0,05).2141000 = 115935,15 W Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F = = = 3,61 m2
Số ống truyền nhiệt:
n = = = 45,96 ống
Vậy chọn số ống truyền nhiệt là n = 61 ống (theo V.11, tr 48,[2]) và bố trí theo hình lục giác đều
Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt: D = t.(b –1) + 4.dng
Trong đó:
- dng = dt + 2S = 0,025 + 2.0,003 = 0,031m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt - t = 1,4.dng = 1,4.0,031 = 0,0434m: bước ống
- b = = = 9 ống: số ống trên đường xuyên tâm của lục giác
D = 0,0434(9 – 1) +4.0,031 = 0,4712 m Thể tích thiết bị gia nhiệt:
V = = = 0,174 m3
Do vận tốc dung dịch chảy trong ống chậm nên thời gian truyền nhiệt là lớn, do đó chọm m = 1 (số pass phía vỏ).
Thông số Ký
hiệu Đơn vị Giá trị
Dung dịch NaOH
Suất lượng Gđ Kg/h 1666,67
Nồng độ Xđ %kl 18
Nhiệt độ dung dịch đầu vào tđ 0C 30 Nhiệt đô dung dịch đầu ra tc 0C 102,201
Nhiệt dung riêng đầu vào cđ J/kg.độ 3323,425 Nhiệt dung riêng đầu ra cc J/kg.độ 3432,52
Hơi đốt
Nhiệt độ hơi đốt tD 0C 142,9
Ẩn nhiệt ngưng tụ rD kJ/kg 2141 Chiều cao thiết bị gia nhiệt H m 1 Đường kính trong ống tuần hoàn dtr m 0,025 Đường kính ngoài ống tuần hoàn dng m 0,031 Khoa Hóa Học & CNTP Trang 36 Chuyên ngành Hóa Dầu
Nhiệt lượng hơi đốt QD W 115935,15 Lượng hơi đốt phải dùng D Kg/s 0,4172
2. Thiết bị ngưng tụ
a. Chọn thiết bị ngưng tụ
Lượng khí bổ xung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm: + Hơi nước
+ Dung môi dễ bay hơi + Khí không ngưng
Cần giải phóng khí bổ xung để tạo chân không. Kết hợp thiết bị ngưng tụ và bơm chân không làm cho hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất.
Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lơn cho bơm chân không. Do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc do bơm.
Dùng thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều, chân cao (baromet). Nước là lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống, khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phân tách lỏng.
Chiều cao ống baromet được chọn sao cho tổng áp suất trong thiết bị và áp suất cột chất lỏng bằng áp suất khi quyển.
b. Tính toán thiết bị ngưng tụ
Nhiệt độ không khí mùa hè tại Vũng Tàu t = 30 0C, độ ẩm tương đối =74%. Theo đồ thị h-x của không khí ẩm, ta có
h = 106 kJ/kg không khí ẩm.
Nhiệt độ ướt tư = 27,5 0C
Chọn nhiệt độ đầu của nước lạnh t2c = 27,5 + 2,5 = 30 0C
Pc = 0,6 at, tc = 85,5 0C
Chọn nhiệt độ cuối của nước lạnh t2c = tc – 10 = 75,5 0C.
Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng không khí cần hút được tính theo công thức:
Gkk = 2,5.10-5W + 2,5.10-5Gn + 0,01W, kg/s (tr 84,[2]) Gn: lượng nước tưới vào thiết bị ngưng tụ
Gn = kg/s (tr 84,[4]) Trong đó:
- W: lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ W = = 0,185 kg/s
- i = 2650 kJ/kg: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ngưng. (theo bảng I.251, [5],tr 314)
- Cn = 4180 J/kg.K: nhiệt dung riêng TB của nước - t2c = 75,5 0C
- t2đ = 30 0C
Gn = = 2,27 kg/s
Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí tính theo công thức (VI.50 trang 84 [2]):
tkk = t2đ + 4 + 0,1(t2c – t2đ) = 30 + 4 + 0,1(75,5 - 30) = 38,550C
Tra được Ph = 0,069 at
Thể tích không khí cần hút theo công thức (VI.49 trang 84 [2]): Vkk = = = 0,0033 m3/s
Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ;
Người ta thường lấy năng suất tính toán lớn hơn gấp 1,5 lần năng suất thực tế. Khi đó đường kính trong của thiết bị là:
Dtr = 1,383 ; m ( theo VI.52,[2], tr 84) Trong đó:
- h = 0,359 kg/m3: khối lượng riêng của hơi thứ ở 0,6 at (tra bảng I.251,tr 314,[2]) - h = 20 m/s: tốc độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ. (chọn)
Dtr = 1,383 = 0,222 m Chọn Dtr = 500 mm
Tra bảng VI.8, sổ tay tập 2, trang 88:
Theo tiêu chuẩn hóa quy cách TBTN ta có các kích thước:
Tên kích thước Kích thước
(mm)
Đường kính trong của thiết bị Chiều dày của thành thiết bị
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy thiết bị Khoảng cách giữa tâm TB ngưng tụ và TB thu hồi Chiều rộng của hệ thống thiết bị
Đường kính của thiết bị thu hồi Chiều cao của thiết bị thu hồi Khoảng cách giữa các ngăn: a1 a2 a3 a4 a5 Đường kính các cửa ra vào: + Hơi vào
+ Nước vào
+ Hỗn hợp khí và hơi nước + Nối với ống Baromet
+ Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi + Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi + Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet
500 5 1300 1200 675 1300 400 1440 220 260 320 360 390 300 100 80 125 80 50 50
Kích thước tấm ngăn:
- Tấm ngăn có dạng hình viên phân để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng của tấm ngăn:
b = + 50 = 300 mm
- Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ với đường kính d = 2 mm (vì nước làm nguội là nước sạch).
Lưu lượng thể tích của nước lạnh dùng ngưng tụ: ttb = = = 52,75 0C
n = 986,75 kg/m3 (bảng I.249, tr 310,[1])
Vn = = = 2,3.10-3 m3/s
Chọn:
- Chiều cao gờ tấm ngăn: h = 40 mm - Bề dày tấm ngăn: = 4 mm
- Tốc độ của tia nước:c = 0,62 m/s
Tổng bề mặt các lỗ trong toàn bộ cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên một cặp tấm ngăn:
f = = = 3,71.10-3 m3
Tỉ số giữa tổng số tiết diện các lỗ với tiết diện của thiết bị ngưng tụ lấy: = 0,1.
Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước của các lỗ là: t = 0,866d( = 0,866.2.0,10,5 = 0,55 mm Mức độ đun nống nước:
P = = 0,82
Theo bảng VI.7 ở [2], trang 86 (tia nước 2 mm): Số ngăn n = 8
Số bậc n = 4
Khoảng cách TB giữa các ngăn htb = 400 mm Thời gian rơi qua một bậc 0,41 s
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 lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn.
- Chọn khoảng cách giữa các ngăn giảm dần từ dưới lên như sau (mm): 400, 350, 300, 250, 150, 100.
- Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị 1300 mm - Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị 1200 mm - Chiều cao gờ của nắp 50 mm
- Chiều cao phần nắp elip 125 mm - Chiều cao gờ của đáy 50 mm - Chiều cao gờ của đáy nón 450 mm
- Chiều cao của thiết bị ngưng tụ (từ trên xuống):
Hng = 50 + 125 + 1300 + 400 + 350 + 300 + 250 + 200 + 150 + 1200 + 50 + 450 = 4295 mm.
Theo bảng, đường kính trong của ống baromet là 125 mm.
Chiều cao ống baromet: H’ = h1 + h2 + h3 (VI.58,[2])
- 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. = 4,336 m
- h2: chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống:
h2 = ) (theo VI.60 ở [2]) Trong đó:
+ = 1 + 2 = 0,5 + 1 = 1,5
1, 2 là hệ số trở lực khi vào ống và khi ra khỏi ống + Đường kính trong của ống Baromet:
D = = = 0,125 m
= 0,049 m/s, là vận tốc của hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống baromet.
Ta có: ttb = 52,75 0C
Tra bảng, ta được: = 986,75 kg/m3; = 0,529.10-3 Ns/m2
Chuẩn số Re:
Re = = = 11425 > 2300, là chế độ chảy rối.
Ống là thép không hàn trong điều kiện ít ăn mòn = 0,2 mm Regh = 6( = 6. ( = 9407 Ren = 220. ( = 220( = 307459 Do Regh < Re < Ren nên ta có hệ số ma sát: = 0,1(1,46 + )0,25 = 0,1(1,46 + )0,25 = 0,032 h2 = ) = 0,0003 + 3,13.10-5. H’ - h3: chiều cao dự phòng Chọn h3 = 0,5 m Vậy H’ = h1 + h2 + h3 = 4,336 + 0,0003 + 3,13.10-5. H’+ 0,5 H’ = 4,84 m
Vậy chọn chiều cao ống baromet là 5m
Thông số Ký
hiệu
Đơn vị Giá trị Ghi chú
Hơi vào Suất lượng W kg/h 666,67 Nhiệt độ tc 0C 85,5 Áp suất pc at 0,6 Elthapy i kJ/kg 2650 Nước làm nguội
Nhiệt độ đầu vào t2đ 0C 30
Chọn
Nhiệt độ đầu ra t2c 0C 75,5
Nhiệt dung riêng nước cn kJ/kg.độ 4180 Lưu lượng khối lượng nước
lạnh cần thiết ngưng tụ
Gn kg/s 2,27 Lưu lượng thể tích nước lạnh
cần thiết ngưng tụ
Vn m3/s 0,0023
Áp suất riêng phần hơi nước ph at 0,069 Tra ở 38,550C
Khí không ngưng
Lượng không khí và khí ngưng rút ra khỏi thiết bị
Gkk kg/s 1,91.10-3
Thể tích không khí cần rút ra khỏi thiết bị
Vkk m3/s 0,0033
Nhiệt độ tkk 0C 38,55
Đường kính trong thiết bị
Khối lượng riêng hơi h kg/m3 0,359 Tra ở 0,6at
Tốc độ hơi ngưng Vh m/s 20 Chọn
Đường kính trong TBTN Dtr mm 500 Làm tròn Kích thước tấm ngăn
Chiều rộng tấm ngăn b mm 300
Đường kính lỗ trên tấm ngăn d mm 2
Chọn
Bề dày tấm ngăn mm 4
Bước lỗ t mm 0,55
Chiều cao thiết bị ngưng tụ
Mức độ đun nước nóng P 0,82
Số ngăn z cái 8
cùng đến nắp thiết bị
[2] Khoảng cách từ ngăn cuối
cùng đến đáy thiết bị
a4 mm 1200
Chiều cao của TBTN H mm 4295
Kích thước ống Baromet
Tốc độ hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng
v m/s 0,049
Đường kính trong của ống d mm 125 Bảng VI.8, [4]
Độ chân không x mmHg 319
Chiều cao cột nước cân bằng với hiệu số pkq và trong TBTN h1 m 4,336 Hệ số trở lực vào và ra 1 2 1 0,5 Chọn
Khối lượng riêng của nước n kg/m3 986,75 Tra ở 52,75
0C
Độ nhớt n Ns/m3 0,529.10-3
Chuẩn số Re Re 11425
Hệ số trở lực 0,032
Chiều cao toàn bộ ống H m 5 Làm tròn
Chiểu cao của cả thiết bị 9295 mm
3. Bồn cao vị
Bồn cao vị được dùng để ổn định lưu lượng của dung dịch nhấp liệu. Bồn được đặt ở độ cao phù hợp nhằm thắng được các trở lực của đường ống và cao hơn so với mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc.
Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt 1-1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và 2-2 (mặt thoáng của nồi cô đặc).
z1 + = z2 + + h1-2
Trong đó: - v1 = v2 = 0 m/s - p1 = 1at
- p2 = p0 = 0,6725 at
- = 1171,97 kg/m3: khối lượng riêng của dung dịch NaOH 18% ở ttb (Bảng 4, trang 11,[8])
- = 0,001387 Ns/m3: độ nhớt động lực của dung dịch NaOH 18% ở ttb (Bảng I.107, trang 100,[1])
- 2: khoảng cách từ mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc đến mặt đất
2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = 1 + 0,584 + 1,5 + 0,04 + 0,245 = 3,369 m Đường kính ống nhập liệu d = 20 mm = 0,02 m
Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc là l = 20m. Tốc độ của dung dịch đi trong ống:
v = = = 0,503 m/s Chuẩn số Reynolds: Re = = = 3699,4 > 2300 (chế độ chảy rối) Regh = 6.( = 6.( = 1158,419 Ren = 220.( = 220.( = 39122,15 Regh < Re < Ren
Hệ số ma sát được tính theo công thức II.64 trang 380,[1]: = 0,1( = 0,1( = 0,045
Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng