ĐỒ án môn học đề tài thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều không lấy hơi phụ có phòng đốt ngoài thẳng đứng, cô đặc dung dịch NaNO3 với năng suất 3,4 kgs

Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở các áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QT - TB CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

II Các số liệu ban đầu:

Nồng độ đầu của dung dịch: 10 % khối lượng;

Nồng độ cuối của dung dịch: 25 % khối lượng;

Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at;

Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2 at

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1 Phần mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4)

3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

V Cán bộ hướng dẫn: TS Cao Thị Mai Duyên

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 10 tháng 10 năm 2021

VII Ngày phải hoàn thành:

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ

CÔNG NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Phê duyệt của Bộ môn

Ngày 10 tháng 10 năm 2021

Người hướng dẫn

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu về sản phẩm NaNO3 2

1.2 Sơ lược về quá trình cô đặc 2

1.3 Sơ đồ - Mô tả dây chuyền sản xuất 4

1.3.1 Bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất 4

1.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 5

PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7

2.1 Tính toán lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W) 7

2.2 Tính toán lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi 7

2.3 Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi 8

2.4 Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống (∆P) 8

2.5 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 8

2.6 Tính nhiệt độ ti ’ (oC), áp suất hơi thứ p’i (at) ra khỏi từng nồi 9

2.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 10

2.7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆ i ’’ 10

2.7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆ i ’ 11

2.7.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống ∆i’’’ 12

2.7.4 Tính tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống 12

2.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 12

2.9 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng hơi thứ Wi ở từng nồi 14

2.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 14

2.9.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO 3 14

2.9.3 Các thông số của nước ngưng 15

2.9.4 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 15

2.10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 17

2.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngưng tụ hơi 17

2.10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 19

2.10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α 2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 19

2.10.4 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch 24

2.10.5 So sánh q 1i và q 2i 24

2.11 Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi 25

2.12 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi 25

2.13 So sánh ∆Ti* và ∆Ti 26

2.14 Tính bề mặt truyền nhiệt F 26

PHẦN 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 27

3.1 Buồng đốt nồi cô đặc 27

3.1.1 Xác định số ống trong buồng đốt 27

3.1.2 Xác định đường kính trong của buồng đốt 28

3.1.3 Xác định chiều dày phòng đốt 28

3.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống 30

3.1.5 Tính chiều dày đáy phòng đốt 32

3.1.6 Tra bích lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép 34

3.2 Buồng bốc hơi 34

3.2.1 Thể tích phòng bốc hơi 34

3.2.2 Chiều cao phòng bốc hơi: 35

3.2.3 Chiều dày phòng bốc hơi 35

3.2.4 Chiều dày nắp buồng bốc 36

3.2.5 Tra bích để lắp nắp vào thân buồng bốc 37

3.3 Tính một số chi tiết khác 37

3.3.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào và ra 37 3.3.2 Tính tai treo và chân đỡ 43

3.3.3 Chọn kính quan sát 49

3.3.4 Tính bề dày lớp cách nhiệt 49

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 53

4.1 Tính thiết bị ngưng tụ Baromet 53

4.1.1 Tính lượng nước lạnh G n cần thiết để ngưng tụ 53

4.1.2 Tính đường kính trong D tr của thiết bị ngưng tụ 54

4.1.3 Tính kích thước tấm ngăn 54

4.1.4 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ 55

4.1.5 Tính kích thước ống Baromet 56

4.1.6 Tính lượng hơi và khí không ngưng 58

4.2 Tính toán bơm chân không 58

4.3 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 60

4.3.1 Nhiệt lượng trao đổi (Q) 60

4.3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 61

4.3.3 Bề mặt truyền nhiệt 65

4.3.4 Số ống truyền nhiệt 65

4.3.5 Đường kính trong của thiết bị đun nóng 66

4.3.6 Tính vận tốc và chia ngăn 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

LỜI MỞ ĐẦU

Để trở thành một kỹ sư kỹ thuật hóa học, học phần “Đồ án Quá trình và thiết bị Công nghiệp hóa học – thực phẩm” đã giúp em bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư kỹ thuật hóa học là thiết kế, sản xuất thiết bị phục vụ nhiệm vụ sản xuất Bộ môn “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học” cung cấp những kiến thức cần thiết cho sinh viên đặc biệt là kỹ sư máy hóa chất, giúp sinh viên hiểu và có khả năng vận hành các thiết bị máy móc trong công nghiệp sản xuất có liên quan Đây là nền tảng căn bản, là cơ sở để các kỹ sư hiểu sâu hơn và nghiên cứu sản xuất các máy móc hiện đại hơn trên thế giới nhất là trong thời đại mà máy móc phát triển như vũ bão hiện nay

Trong phạm vi “Đồ án môn học – Nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xôi chiều thiết bị có phòng đốt ngoài thẳng dùng để cô đặc dung dịch NaNO 3 ” đề

cập đến việc tính toán và thiết kế những thiết bị chính, phụ và tính cơ khí của hệ thống

Để hoàn thành đồ án này em đã nhận được sự giúp đỡ rất lớn từ phía thầy cô, gia đình và bạn bè Đặc biệt em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên

hướng dẫn TS Cao Thị Mai Duyên đã giúp đỡ em tận tình để hoàn thành đồ án này

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến và sự góp ý của các thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

- Natri Nitrat tan trong nước, là chất điện li mạnh

- Để ngoài không khí chúng bị chảy do hấp thụ hơi nước trong không khí

- NaN𝑂3 kha bền với nhiệt (chúng có thể thăng hoa trong chân không ở 380-500

℃ )

b, Tính chất hóa học

- Ở nhiệt độ cao NaN𝑂3 là chất oxi hóa mạnh

- Khi bị đun nóng NaN𝑂3 bị phân hủy tạo thành muối Nitrit và oxi

2NaN𝑂3→ 2NaN𝑂𝑡° 2 + 𝑂2

- Phản ứng với Cu trong môi trương Axit:

2N𝑂3− + 3𝐶𝑢 + 8𝐻+ → 3𝐶𝑢2++ 2NO + 4𝐻2𝑂

c, Ứng dụng

- Trong thiên nhiên, chủ yếu được khai thác ở ChiLe nên được gọi là sanpet Chi Lê

- Dùng để điều chế axit nitric, phân đạm, dùng trong công nghiệp thủy tinh, luyện kim, độ tinh khiết 99,3 %, dùng trong thí nghiệm công nghiệp, dân dụng

bằng áp suất chung trên mặt thoáng , trạng thái sôi chỉ có ở nhiệt độ xác định ứng với

áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho

Trong quá trình cô đặc, nồng độ của dung dịch tăng lên, do đó mà một số tính chất của dung dịch cũng sẽ thay đổi Điều này có ảnh hưởng đến quá trình tính toán, cấu tạo vá vận hành của thiết bị cô đặc Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt 𝜆, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt 𝛼 của dung dịch sẽ giảm Ngược lại, khối lượng riêng 𝜌,

độ nhớt 𝜈, tổn thất do nồng độ Δ’ sẽ tăng Đồng thời khi tăng nồng độ sẽ tăng điều kiện tạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt, những tính chất đó sẽ làm giảm bề mặt truyền nhiệt của thiết bị

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng cho một thiết bị ngoài hệ thống thì ta gọi đó là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở các áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết

bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không vì có

ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẩn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng)

b, Cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều được sử dụng nhiều hơn cả

Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước làm quá trình tự bốc hơi

Nhược điểm: nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn nữa, dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch

Trong công nghệ hoá chất và thực phẩm, Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi; với mục đích:

+ Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch

+ Tách các chất hoà tan ở dạng rắn (kết tinh)

+ Tách dung môi ở dạng nguyên chất.v.v

1.3 Sơ đồ - Mô tả dây chuyền sản xuất

1.3.1 Bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất

5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

6, 6’ Buồng đốt của nồi cô đặc

7, 7’ Buồng bốc hơi của nồi cô đặc

8 Thiết bị ngưng tụ baromet

9 Thiết bị thu hồi bọt

10 Thùng chứa nước

11 Thùng chứa sản phẩm

12 Bơm chân không

1.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

- Dung dịch chứa trong thùng chứa được bơm (2) đưa lên thùng cao vị có chảy tràn

để ổn định lưu lượng Lưu lượng kế (4) điều chỉnh lưu lượng cần thiết của dung dịch vào thiết bị gia nhiệt (5), đun nóng tới nhiệt độ sôi dung dịch, sau đó đưa vào nồi cô đặc 1 (6) Dung dịch sau nồi 1 đạt nồng độ 𝑥1 sẽ sang nồi 2 nhờ chênh lệch

áp suất Sau nồi 2 dung dịch đạt nồng độ cuối và sẽ làm lạnh bằng thiết bị làm lạnh (16) sau đó đẩy vào thùng chứa sản phẩm (15)

- Hơi thứ ở nồi 1 (6) được làm hơi đốt cho nồi 2 (7) vì nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi dung dịch nồi 2 (7) Hơi thứ nồi 2 (7) đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet Hơi được ngưng tụ thành lỏng và tự chảy xuống thùng chứa khí không ngưng có lẫn bọt qua

cơ cấu tách bọt, bọt sẽ được đi xuống thùng chứa, khí không ngưng đi ra ngoài nhờ bơm (11)

Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ nồi nọ sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dung dịch trước khi vào nồi nấu đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ

Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Yêu cầu:

Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều không lấy hơi phụ có phòng đốt ngoài thẳng đứng, cô đặc dung dịch NaNO3 với năng suất 12240 kg/h

Các số liệu ban đầu:

- Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10 % kh.lg

- Nồng độ cuối của dung dịch: 25 % kh.lg

- Áp suất hơi đốt nồi đầu: 5,0 at

- Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2 at

2.1 Tính toán lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W)

Áp dụng công thức: W = Gd (1 −xd

x c) VI.1, [2 - 55]

Trong đó: W – Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (kg/h)

xd – Nồng độ đầu vào của dung dịch: xd = 10%

xc – Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 25%

Gd – Lượng dung dịch đầu: Gd = 12240 [kg/h]

Thay số, ta có: W = 12240 (1 −10

25) = 7344,00 [kg/h]

2.2 Tính toán lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

Gọi: W1 – Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1: W1 [kg/h]

W2 – Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 2: W2 [kg/h]

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi sau lớn hơn nồi trước Để đảm bảo việc dùng toàn

bộ lượng hơi thứ nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau ta chọn:

Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở hai nồi là:

W2:W1 = 1,06 (1) Mặt khác: W= W1 + W2= 7344 (2)

Từ (1) và (2) ta tính được: W1 = 3565,05[kg/h]

W2 = 3778,95 [kg/h]

2.3 Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi

Áp dụng công thức: 𝑥𝑖 = Gd xd

𝐺d−∑𝑖𝑗=1𝑊 𝑗 [%] VI.2c, [2 – 57] Nồng độ cuối ra khỏi nồi 1 là:

𝑥1 = Gd xd

𝐺d− 𝑊1 = 12240 10

12240−3617,73 = 14,11 % Nồng độ cuối ra khỏi nồi 2 là:

𝑥2 = Gd xd

𝐺d− (𝑊1+𝑊2) = 12240 10

12240−(3617,73+3726,27) = 25 %

2.4 Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống (∆P)

Chênh lệnh áp suất chung của hệ thống (∆P) là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ png

∆P = p1 – png, at Thay số, ta có: ∆P = 5 – 0,2 = 4,8 [at]

2.5 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi

a Áp suất

Hiệu số áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau

Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi:

∆p1: ∆p2 = a1: a2 = 2,3: 1 ∆p𝑖 = ∆p𝑖 ai

𝑎1+𝑎2 = 4,8 1

2,3+1= 1,45 at

Áp suất hơi đốt từng nồi được tính:

pi = pi-1 - ∆pi-1 [at]

Thay số, ta có:

p1 = 5 at

p2 = p1 - ∆p1 = 5 – 3,35 = 1,65 at

b Nhiệt độ hơi đốt T (oC), nhiệt lượng riêng I (J/kg), nhiệt hóa hơi r (J/kg)

Tra bảng I.251 trong [1 – 314] và nội suy ta có:

+ Nồi 1: với p1 = 5 at, ta có:

- Nhiệt độ hơi đốt: T1 = 151,1 [oC]

- Nhiệt lượng riêng: i1 = 2754.103 [J/kg]

- Nhiệt hóa hơi: r1 = 2117.103 [J/kg]

+ Nồi 2: với p2 = 1,65 at, ta có:

- Nhiệt độ hơi đốt: T2 = 113,60 [oC]

- Nhiệt lượng riêng: i2 = 2704,9.103 [J/kg]

- Nhiệt hóa hơi: r2 = 2224,5.103 [J/kg]

Trong đó: ti ’: nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi i (i = 1,2)

∆i’’’: tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống

(chọn ∆1’’’ = 1oC; ∆2’’’ = 1 oC) Thay số, ta có: t1’ = T2 + ∆1’’’= 113,6 + 1 = 114,6 oC

t2’ = Tng + ∆2’’’= 59,7 + 1 = 60,7 oC Tra bảng I.251 trong [1 – 314] và nội suy, ta có:

+ Nồi 1: với t1’ = 114,6 oC, ta có:

- Áp suất hơi thứ: p1’ = 1,7 [at]

- Nhiệt lượng riêng: i1’= 2703,4.103 [J/kg]

- Nhiệt hóa hơi: r1’= 2222,04.103 [J/kg]

+ Nồi 2: với t2’ = 60,7 oC, ta có:

- Áp suất hơi thứ: p2’ = 0,21 [at]

- Nhiệt lượng riêng: i2’= 2609,61.103 [J/kg]

- Nhiệt hóa hơi: r2’= 2355,29.103 [J/kg]

r.103, J/kg p’, at t’,

oC i’.10

3, J/kg

r’.103,

J/kg

1 5 151,1 2754 2117 1,7016 114,6 2703.4 2222,04 14,11

2 1,65 113,6 2704,9 2224,5 0,2097 60,7 2609,6 2355,29 25

2.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ Tổng tổn thất nhiệt độ này

là do nồng độ tăng cao (∆’), do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’), do trở lực đường ống (∆’’’)

2.7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆ i ’’

Tổn thất này do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch ở trên mặt thoáng Thường tính toán ở khoảng giữa của ống truyền nhiêt

Công thức tính:

∆i’’ = ttbi – ti’ [oC] [2-60]

Trong đó:

ttbi : nhiệt độ sôi ứng với ptbi [oC]

ti’: nhiệt độ sôi ứng với pi’ [oC]

ptbi là áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối (lỏng – hơi) trong ống tuần hoàn, tính theo công thức VI.12 [4 – 60]:

𝑝𝑡𝑏𝑖 = 𝑝𝑖′ + [(ℎ1+𝐻

2) .𝜌𝑑𝑑𝑖

9.81.10 4] [N/m2] Trong đó:

𝜌𝑑𝑑𝑖: khối lượng riêng của dung dịch tương ứng với 20℃, nồi thứ i [kg/𝑚3]

pi’: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch [at]

h1: chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng,

chọn h1 = 0,8 [m]

H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 6 [m]

g: gia tốc trọng trường g = 9,81 [m/s2]

+ Nồi 1: với p1’ = 1,7016 [at]

Tra bảng I.59 trong [1 – 46] và nội suy với t = 114,6 oC, x1 = 14,11%, ta có:

Tra bảng I.251 trong [1– 314] và nội suy với ptb1 = 1,91 [at], ta có:

ttb1 = 118,15 oC

 ∆1’’ = ttb1 – t1’ = 118,15– 114,6 = 3,55 [oC]

+ Nồi 2: với p2’ = 0,21 [at]

Tra bảng I.59 trong [1 – 46] và nội suy với t = 60,7 oC, x2 = 25%, ta có:

Tra bảng I.251 trong [1 – 314] và nội suy với ptb2 = 0,43 [at], ta có:

Phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi vào nồng độ và

áp suất của chúng ∆i’ ở áp suất bất kì được xác định theo phương pháp Tysenco:

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất (hơi thứ) ở áp suất làm việc [J/kg]

∆0i’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở nhiệt độ nhất định và áp suất khí quyển (tsdd > tsdm)

áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã chọn ∆1’’’= 1 (oC); ∆2’’’ = 1 (oC)

Vậy tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống bằng:

𝑖=1+ ∑ ∆𝑖′′+2

𝑖=1

∑ ∆𝑖′′′

2

𝑖=1 = 4,77 + 20,27 + 2 = 27,04 [oC]

2.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

2.8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

∑𝟐𝒊=𝟏∆𝑇𝑖 = 𝑇1− 𝑇𝑛𝑔− ∑2𝑖=1∆ (VI.17 và VI.18 [2 – 67])

= 151,1 − 59,7 − 27,04 = 64,36 [oC]

Trong đó:

T1: nhiệt độ hơi đốt ở nồi 1

Tng: nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ

∑2𝑖=1∆: tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi

2.8.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:

Là hệ số nhiệt độ hơi đốt Ti và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc

2.9 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng

W1, W2: lượng hơi thứ đi ra khỏi nồi 1, nồi 2

i1, i2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2

i1’, i2’: nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2

C0, C1, C2: nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, dung dịch ra khỏi

nồi 1, nồi 2

Cnc1, Cnc2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ra khỏi nồi 1, nồi 2

ts0, ts1, ts2: nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2

θ1, θ2 : nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2

Qm1, Qm2: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2 (bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn

để bốc hơi ở từng nồi)

2.9.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO 3

Với dung dịch loãng (x < 20%) nhiệt dung riêng tính theo công thức:

Trong đó: Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không chứa nước), J/kg.độ

x: nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng

2.9.3 Các thông số của nước ngưng

Nhiệt độ của nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:

θ1 = T1 = 151,1 oC; θ2 = T2 = 112,88 oC

Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn, người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nhiệt độ

càng cao càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt lượng thừa của các quá trình sản xuất khác

Do đó có thể chọn: ts0 = ts1 = 120,12 oC

Nhiệt dung riêng của nước ngưng:

Tra bảng I.249 [3 – 311] và nội suy với:

D =𝐺d(C1ts1–C0ts0)+W1(i1

′ –C1ts1) 0,95(i1–Cnc1θ1)

W2 = W – W1

Thay các só liệu ta có:

W1 = 7344.(2609,6.10

3 −3440,68.80,22)+12240(3440,68.80,22−3595,36.120,12) 0,95(2704,9.103−4238,95.113,6)−3595,36.120,12+2609,6.103

= 3550,21 [kg/h]

D = 12240.(3595,36.120,12−3767,4.120,12)+3550,21.(2703,4.10

3 −3595,36.120,12) 0,95(2754.103−4314,74.151,1)

= 3911,71 [kg/h]

W2 = 7344 – 3550,21 = 3793,79 [kg/h]

Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi: W1:W2 = 1:1,07

Kiểm tra sai số là phần trăm chênh lệch giữa Wgiả thiêt và Wtính toán ở mỗi nồi:

Với nồi 1:  = |3550,21−3565,05|

3550,21  =  

Với nồi 2:  = |3793,79−3778,95|

3793,79  =   Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận được giả thiết

2.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngưng tụ hơi

Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt:

θ [oC]

W, [kg/h] Sai số

% Giả thiết Tính

1 3595,36 4314,74 151,1 3565,05 3550,21 0,42

2 3440.68 4238,95 113,6 3778,95 3793,79 0,39

Điều kiện làm việc: phòng đốt ngoài thẳng đứng (H < 6m), hơi ngưng bên ngoài ống, màng nước ngưng chảy dòng nên hệ số cấp nhiệt tính theo công thức:

α1i = 2,04 Ai ( 𝑟𝑖

∆t1𝑖.𝐻)0,25 [W/m2 độ] V.101,[2 – 28] Trong đó:

H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 6m

α1i: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i, W/m2 độ

∆t1𝑖: hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi đốt của nồi i, oC

ri: ẩn nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt, J/kg

Từ bảng tổng hợp số liệu 1 ta có: r1 = 2117 103 (J/kg)

r2 = 2224,5.103 (J/kg) Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm [2 – 29]

Nhiệt độ màng tính theo công thức: tmi = 0,5 (tTi + Ti) = Ti - ∆t1𝑖

α11 = 2,04 A1 ( 𝑟1

∆t11.𝐻)0,25 = 2,04.195,58. (2117.103

0,25 = 6679,99 [W/m2 độ]

α12 = 2,04 A2 ( 𝑟2

∆t12.𝐻)0,25 = 2,04.184,30. (2224,5.103

0,25 = 6284,19 [W/m2 độ]

2.10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

Gọi q1i: Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i

Dung dịch khi sôi ở chế độ sủi bọt, có đối lưu tự nhiên hệ số cấp nhiệt xác định theo công thức:

Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt: ∑𝑟 = r1 + r2 + δ

r2 = 0,387.10-3 [m2 độ/W] là nhiệt trở của cặn bẩn (NaNO3) δ: bề dày ống truyền nhiệt, δ = 2 (mm) = 2.10-3 (m)

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép 12MX, hệ số dẫn nhiệt của nó là:

λ = 50,2 W/m.độ Thay số vào ta có:

λ: hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ] (lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch)

𝜌: khối lượng riêng [kg/m3] 𝜇: độ nhớt [N.s/m2]

C: nhiệt dung riêng [J/kg.độ]

Chỉ số dd: là dung dịch Chỉ số nc: là nước

Các thông số của nước:

• Tra bảng I.129 [1 – 311] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1 = 120,12oC → λnc1 = 0,69 [W/m.độ]

Nồi 2: ts2 = 80,22 oC → λnc2 = 0,68 [W/m.độ]

• Tra bảng I.5 [1 – 12] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1 = 120,12 oC → 𝜌nc1 = 943,31 [kg/m3] Nồi 2: ts2 = 80,22 oC → 𝜌nc2 = 971,69 [kg/m3]

• Tra bảng I.148 [1 – 311] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1 = 120,12 oC → Cnc1 = 4250,18 [kg/m3]

Nồi 2: ts2 = 80,22 oC → Cnc2 = 4194,71 [kg/m3]

• Tra bảng I.102 [1 – 95], I.104 [1 – 96] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1 = 120,12 oC → 𝜇nc1 = 0,232.10-3 [N.s/m2] Nồi 2: ts2 = 80,22 oC → 𝜇nc2 = 0,3555.10-3 [N.s/m2]

Các thông số của dung dịch:

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NH4NO3 tính theo công thức:

λdd = A.Cdd 𝜌.√𝜌

𝑀

3, [W/m.độ] [1 – 123]

M = MNaNO3.NNaNO3 + MH2O.NH2O = 80 NNaNO3 +18 (1 - NNaNO3)

NNaNO3: phần mol của NNaNO3 trong dung dịch

Ta có:

Với nồi 1: NNaNO3 (1) =

𝑥1 𝑀𝑁𝑎𝑁𝑂3 𝑥1

1 − 𝑥1 𝑀𝐻2𝑂

=

0,1411 85 0,1411

1 − 𝑥2 𝑀𝐻2𝑂

=

0,25 85 0,25

t1, t2: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng A có độ nhớt tương ứng là 𝜇1 và 𝜇2

𝛳1, 𝛳2: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng chuẩn có cùng độ nhớt là 𝜇1 và 𝜇2Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước Chọn t1 = 10oC; t2 = 20oC

Với nồi 1:

Tra bảng I.107 [1 – 100] và nội suy ta có:

t1 = 10oC và x1 = 14,11% ➔ 𝜇11 = 1,4421.10-3 [N.s/m2]

t2 = 20oC và x1 = 14,11% ➔ 𝜇21 = 1,1104.10-3 [N.s/m2] Tra bảng I.102 [1 – 94] và nội suy ta có:

𝜇11 = 1,4421.10-3 [N.s/m2] ➔ 𝛳11 = 6,68 oC

𝜇21 = 1,1104.10-3 [N.s/m2] ➔ 𝛳21 = 16,02 oC Tại ts1 = 120,12 oC dung dịch có độ nhớt là 𝜇dd1 tương ứng với nhiệt độ

𝛳31 của nước có cùng độ nhớt nên ta có:

10 − 20 6,68 − 16,02 = 20 − 120,12

16,02 − 𝛳31 ➔ 𝛳31 = 109,50 oCTra bảng I.104 [1 – 96] và nội suy với 𝛳31 = 109,50oC ta được:

𝜇dd1 = 0,2575.10-3 [N.s/m2] Với nồi 2:

Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là Nước Chọn t1 = 10oC; t2 = 20oC Tra bảng I.107 [1 – 100] và nội suy ta có:

t1 = 10oC và x2 = 25% ➔ 𝜇12 = 1,78.10-3 [N.s/m2]

t2 = 20oC và x2 = 25% ➔ 𝜇22 = 1,25.10-3 [N.s/m2]

Tra bảng I.107 [1 – 94] và nội suy ta có:

𝜇12 = 1,78.10-3 [N.s/m2] ➔ 𝛳12 = 0,19 oC

𝜇22 = 1,25.10-3 [N.s/m2] ➔ 𝛳22 = 11,59 oC Tại ts2 = 77,70 oC dung dịch có độ nhớt là 𝜇dd2 tương ứng với nhiệt độ

𝛳32 của nước có cùng độ nhớt nên ta có:

10 − 20 0,19 − 11,59 = 20 − 80,22

11,59 − 𝛳32 ➔ 𝛳32 = 80,25 oCTra bảng I.102 [1 – 95] và nội suy với ϴ32 = 80,25 oCta được:

𝜇dd2 = 0,3554.10-3 [N.s/m2] Thay các số liệu vào công thức tính hệ số hiệu chỉnh ta có:

α21 = 45,3 p’10,5 ∆t212,33. ψ1 = 45,3.1,7020,5.6,732,33.0,88 = 4418,65 [W/m2 độ]

α22 = 45,3 p’20,5 ∆t222,33. ψ2 = 45,3.0,210,5.8,962,33.0,97 = 3331,27 [W/m2 độ]

Bảng tổng hợp số liệu 5:

kg/m3

𝜌𝑛𝑐kg/m3

Cnc J/kg.độ

CddJ/kg.độ

λdd W/m.độ

λncW/m.độ

μ𝑑𝑑 103 N.s/m2

μ𝑛𝑐.103N.s/m2

q2i [W/m2]

2.11 Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi

∑ 𝑄𝑗 𝐾𝑗

2 𝑗=1

Bảng tổng hợp số liệu 7:

[W/m2 độ]

Qi [W]

∆Ti [oC]

∆Ti* [oC]

964,02.31,73 = 75,19 [m2] Nồi 2: F2 = 2193687,58

894,22.32,63 = 75,19 [m2] Vậy: F1 = F2 = 75,19 m2

PHẦN 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 3.1 Buồng đốt nồi cô đặc

3.1.1 Xác định số ống trong buồng đốt

n = 𝐹𝜋.𝑑𝑡𝑟.𝐻 (ống) Trong đó:

F: tổng bề mặt truyền nhiệt tính, F = 75,19 m2Ống truyền nhiệt có kích thước 25x2 mm

dtr: đường kính của ống truyền nhiệt, do α1 > α2: dtr = 25 – 2.2 = 21 (mm) H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 6 (m)

Thay số ta được:

n = 75,19𝜋.0,021.6 = 190,05 (ống) Theo bảng V.II trong [1 – 48], qui chuẩn ta được: n = 241 [ống]

Chọn cách bố trí các ống theo hình lục giác đều

• Số hình sáu cạnh: 8

• Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh: 17

• Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân: 217

• Số ống trên hình viên phân ở dãy thứ nhất: 4

• Số ống trên hình viên phân ở dãy thứ hai, thứ ba: 0

• Tổng ống trong tất cả các hình viên phân: 24

→ 𝐹𝑡ℎ =28.0,08

100 = 0,02 (m2) → 𝑑𝑡ℎ = √4𝐹𝑡ℎ

𝜋 = √4.0,02

𝜋 = 0,17 (𝑚) Quy chuẩn theo bảng XIII.32 [2 - 434] Đường kính ngoài ống tuần hoàn ta chọn

𝑑𝑡ℎ = 200 (𝑚𝑚), chiều dài ống nối l =130 mm

3.1.2 Xác định đường kính trong của buồng đốt

Tính theo công thức: Dt = t (b – 1) + 4 dn [m] (V.140 [2-49]) Trong đó:

b: số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác, b = 17

dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 25 mm t: bước ống của chùm ống truyền nhiệt trong buồng đốt, t = 1,42 dn

t = 1.42.25 = 36 (mm) = 0,036 (m)

Thay số ta có:

Dt = 1,42.0,025 (17 – 1) + 4.0,025 = 0,668 (m) Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [2 – 359] chọn Dt = 800 mm

3.1.3 Xác định chiều dày phòng đốt

Kiểu buồng đốt: Thiết bị nhóm (các chi tiết, bộ phận không bị đốt nóng hay được cách ly với nguồn đốt nóng trực tiếp) Thiết bị không dùng để sản xuất và chứa ở các áp suất cao hoặc sản xuất hoặc chứa các chất cháy nổ, độc ở áp suất thường (loại II) Thân hình trụ hàn, là việc chịu áp suất trong, kiểu hàn giáp nối hai bên, hàn tay bằng hồ quang điện Vật liệu chế tạo thép 12MX

Tra bảng XII.4 [2 – 309]

giới hạn bền kéo: 𝜎k = 5,50.108 (N/m2) giới hạn bền chảy: 𝜎c = 2,40.108 (N/m2) Ứng suất cho phép của thép 12MX theo giới hạn chảy là:

[𝜎k] = 5,5.10

8 2,6 .0,9 = 1,44.108 (N/m2) Vậy ứng suất cho phép của vật liệu là:

C: là tổng các hệ số: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày (để chống ăn mòn khi gia công)

C1: bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian của thiết bị làm việc Chọn C1 = 1mm

C2: đại lượng bổ sung do hao mòn, C2 chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn nhất ở trong thiết bị Thông thường ta chọn C2 = 0

C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm vật liệu

P1: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng: p1 = 𝜌𝐻𝑔 Trong đó:

𝜌: khối lượng riêng của nước, 𝜌 = 997,08 (kg/m3) H: chiều cao cột nước, lấy H = 6 m

* Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước):

𝜎 =[𝐷𝑡+(𝑆 − 𝐶)]𝑝𝑜

2.(𝑆 − 𝐶).𝜑 <

𝜎𝑐1,2, N/m

2 (XIII.26 [2 – 365])

Ta có: 𝜎𝑐

1,2 =

240.1061,2 = 200.10

6 [N/m2]

Po: áp suất thử tính toán được theo công thức: po = pth + p1

pth: áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2 – 358] Với thiết bị kiểu hàn, làm việc ở điều kiện áp suất từ 0,07 đến 0,5.106 N/m2 ta có:

6 [N/m2]

 𝜎 < 𝜎𝑐

1,2

 thỏa mãn

Vậy chiều dày phòng đốt là S = 5mm, C = 1,4.10-3 (m)

3.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống

Chiều dày lưới đỡ ống phải đảm bảo các yêu cầu sau:

1 Giữ chặt ống sau khi nung, bền

2 Chịu ăn mòn tốt

3 Giữ nguyên hình dạng khi khoan, khi nung cũng như sau khi nung ống

4 Bền dưới tác dụng của các loại ứng suất

* Để đáp ứng yêu cầu 1: chiều dày tối thiểu của mạng ống là:

* Để đáp ứng yêu cầu 4:

Tiến hành kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn:

Theo điều kiện 𝜎𝑢′ ≤ 𝜎𝑢

𝜎𝑢′ = 𝑃

3,6 (1 − 0,7.𝑑𝑛

𝑙 ) (𝑆

𝑙 )2 [N/m2] Trong đó: