Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU BUỒNG ĐỐT NGOÀI LÀM VIỆC LIÊN TỤC CÔ ĐẶC DUNG DỊCH KNO3

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôitrung bình của dung dịch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ

NỘI VIỆN KĨ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

−−−−−−−−−−−−−−−−−− −−−−−−−−−−−−−−−−−−

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

HAI NỒI XUÔI CHIỀU BUỒNG ĐỐT NGOÀI LÀM

VIỆC LIÊN TỤC CÔ ĐẶC DUNG DỊCH KNO 3

Sinh viên thực hiện:Mã số sinh

viên: Lớp:

Giáo viên hướng dẫn:

Lê M in h T hư 20 18 09 44 K T

H H 03 -K 63 Đặng Thị Tuyết Ngân

Hà Nội, 1/2022

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ CÔNG

NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440

I. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống cô đặc xuôi chiều gồm 2 nồi loại có buồng

đốt ngoài dùng để cô đặc dung dịch KNO3

Các số liệu ban đầu:

Năng suất đầu vào: 10800 kg/h Áp suất hơi đốt nồi đầu: 5,0 at

Nồng độ ban đầu: 5 % kh.lg Áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ:0,2 at

Nồng độ cuối: 23 %kh.lg

II 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

4 Tính cơ khí thiết bị chính

5 Tính và chọn thiết bị phụ (3 thiết bị phụ)

6 Kết luận

7 Tài liệu tham khảo

8 Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4

9 Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1

III Cán bộ hướng dẫn: Đặng Thị Tuyết Ngân

IV Ngày giao nhiệm vụ: ngày 5 tháng 10 năm 2021

V Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 1 năm 2022

(Dùng cho sinh viên khối cử nhân kỹ thuật/kỹ sư)

Phê duyệt của Bộ môn Ngày 27 tháng 1 năm 2022

Người hướng dẫn

0

Trong đồ án này, nhiệm vụ của em là “Tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi

có buồng đốt ngoài, làm việc liên tục để cô đặc dung dịch KNO3từ nồng độ 5% lên23% Đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô Đặng Thị Tuyết Ngân.Vì đồ ánquán trình và thiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm là đề tài lớn dầu tiên

mà em được đảm nhận nên không tránh khỏi những thiếu xót và hạn chế Do đó em rấtmong được sự chỉ dẫn, góp từ các thầy cô để em có thể hoàn thành tốt đồ án này

Sinh viên thực hiện

Lê Minh Thư

1.3 Ứng dụng quan trong của KNO3 trong đời sống và sản xuất 4

3 Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi cô đặc: 12

6 Tính nhiệt độ ti’ và áp suất của hơi thứ ra khỏi từng thiết bị cô đặc: 13

7.1 Tính tổn thất nhiệt đọ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆i’’ 14

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

Wi ở từng nồi

17

9.2 Xác định nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi 18

10 Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt lượng trung bình từng nồi α 21

10.3 Hệ số cấp nhiệt α2từ bề mặt ống truyền nhiệt đến chất lỏng sôi: 2210.4 Tính nhiệt tải riêng q2về phía dung dịch: 26

1.6 Tra bích lắp vào thân và đáy, số bu lông cần thiết để lắp ghép 36

2.5 Tra bích lắp vào thân và đáy, số bu lông cần thiết để lắp ghép 39

1.5 Tính kích thước đường kính trong ống baromet 59

3.2.1.Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ: 623.2.2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 633.2.3.Hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp chảy xoáy 633.2.4 Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống: 64

3.2.6 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch: 65

3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt 66

● Đây là muối ít tan trong etanol nhưng có thể tan trong glycerol, amoni.

● KNO3 là một hợp chất hóa học có tên gọi là Kali Nitrat hoặc làPotassium Nitrate Đây là muối ion của ion kali K + và ion nitrate NO3-

● KNO3 được xem như một tiêu thạch khoáng sản và là một nguồn rắn

tự nhiên của nitơ

1.1 Tính chất hóa học

● KNO3 có tính oxy hóa mạnh

● KNO3 bị nhiệt phân để tạo thành kali Nitrit và Oxi tạo thành phương trìnhhóa học sau:

● KNO3 → KNO2 + O2 (Điều kiện phản ứng là nhiệt độ cao)

1.2. Điều chế KNO 3

Hiện nay, KNO3 được điều chế bằng các phản ứng trao đổi, NaCl kết tinh ở nhiệt

độ 30oC thì tách ra khỏi dung dịch và làm nguội, KNO3 kết tinh thu được ở nhiệt độ22oC với phương trình hóa học như sau:

NaNO3 + KCl → KNO3 + NaCl

1.3 Ứng dụng quan trong của KNO3 trong đời sống và sản xuất.

Vai trò của KNO3 trong nông nghiệp.

● Kali nitrat là loại phân bón duy nhất cung cấp toàn bộ là dinh dưỡng dạng

đa lượng, gần như cao nhất trong thành phần của bất kỳ các công thứcphân bón nào khác

● KNO3 là một nguồn cung cấp kali tuyệt vời Mà kali trong nitrat kali rấtcần thiết cho sự phát triển của cây và hoạt động bình thường của mô.Kation kali (K+) đóng một phần quan trọng trong nhiều quá trình trao đổichất trong tế bào, đóng vai trò điều hòa và tham gia vào một số quá trìnhcung cấp quản lý nước của cây (tham gia vào sự đóng mở của lỗ khíkhổng)

● KNO3 giúp cho cây trồng khỏe mạnh hơn và cho năng suất cây trồng tốthơn

● KNO3sau khi được bón vào đất sẽ giúp đất giảm mặn, cải thiện tình hình

sử dụng nước và giúp tiết kiệm nước khi trồng

● KNO3là thành phần chính không thể thiếu trong dinh dưỡng thủy canh, nóquyết định tới sự phát triển của cây trồng rất lớn, việc thiếu Kali hoặcNitrat được thể hiện rất rõ, cháy mép lá, đốm đen lá, vàng lá

● Loại hóa chất này được ví như là một chất nền để chống lại vi khuẩn, nấmgây bệnh, côn trùng và virus KNO3làm giảm đáng kể sự hấp thụ Cl củacây trồng Đồng thời nó cũng chống lại các tác nhân gây hại của natri

Vai trò của KNO3 trong chế tạo thuốc nổ.

● Chế tạo thuốc nổ đen với công thức: 75% KNO3, 10% S và 15% C Khi

nổ, nó tạo ra muối kali sunfua, khí nitơ và khí CO2:

● 2KNO3+ 3C + 5S → K2S + N2+ 3CO2

● Ngoài ra, KNO3 còn dùng để tạo thành pháo hoa

Vai trò của KNO3 trong bảo quản thực phẩm trong công nghiệp.

● Phụ gia thực phẩm(E252)

● Là một trong những cách để bảo quản thịt chống ôi thiu

Vai trò của KNO3 trong dược

● Được sử dụng trong một số kem đánh răng cho răng nhạy cảm Gần đây,việc sử dụng của kali nitrat trong kem đánh răng để điều trị răng nhạy cảm

đã tăng lên và nó có thể là một phương pháp điều trị hiệu quả

● Được sử dụng lịch sử để điều trị bệnh hen suyễn và viêm khớp

1.4 Ưu điểm của hóa chất KNO 3

Ưu điểm của hóa chất này là nó không gây hại cho sức khỏe con người Và về

cơ bản, KNO3không độc hại mà có lợi cho cây trồng Chính vì vậy mà nó được sửdụng rất phổ biến và trở thành một trong những loại hóa chất nông nghiệp thường gặpnhất

• Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (tinh khiết)

• Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp xuất (áp xuất chân không, áp xuấtthường, áp xuất dư) trong hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi) hay trong hệ thống nhiềuthiết bị cô đặc Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ

bị phân hủy nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôitrung bình của dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích) dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt.Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụngnhiệt thừa của quá trình sản suất khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho cô đặc

Cô đặc ở áp xuất cao hơn áp xuất khí quyển thường dung cho các dung dịchkhông bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ để sử dụng hơi thứcủa dung dịch cho các quá trình khác

Còn cô đặc ở áp xuất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà thải ra ngoàikhông khí Đây là phương pháp đơn giản nhưng nhiệu quả kinh tế không cao

2.2 Ứng dụng của cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nướctrái cây Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, cácmuối vô cơ Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụngthiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn

Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liềnvới sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quảcủa thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo

an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiếnthức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị

cô đặc

2.3 Phân loại các thiết bị trong cô đặc

a Theo cấu tạo

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhómnày có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàngqua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

• Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

• Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặcnhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyềnnhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịchkhá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

• Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

• Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ chophép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) đểtránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệtthích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:

• Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạobọt khó vỡ

• Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạobọt và bọt dễ vỡ

b Theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thườngđược dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạtnăng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không.Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quálớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô áp lựchay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác

để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển

tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều cóthể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tuỳtheo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở

áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

Trong thực tế người ta thường thiết kế các hệ thống cô đặc nhiều nồi để tang hiệuquả sử dụng hơi đốt

3 Quy trình công nghệ

3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ:

Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặcnhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở

áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùngthiết bị hở nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì

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

Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu

đề, em lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 2 nồi liên tục có buồng đốt trong và ốngtuần hoàn trung tâm

Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: hơi nước bãohòa được cấp vào thiết bị để làm bay hơi dung môi của dung dịch Hơi đốt sau cấpnhiệt ngưng tụ lại được tháo qua cốc tháo nước ngưng Dung môi bay hơi qua cơ cấutách bọt, hơi thứ ra khỏi thiết bị đi vào thiết bị ngưng tụ bazomet thành lỏng Dungdịch sau cô đặc đạt được nồng độ cần thiết sẽ được tháo qua cửa tháo liệu ra ngoài-Ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi

-Ưu điểm: là dung dịch tự di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suấtgiữa hai nồi Nhiệt độ của hơi thứ nồi 1 cao hơn nhiệt độ sôi của nồi 2 nên hơi thứ củanồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2 do đó có thể tiết kiệm năng lượng

-Nhược điểm: Nhiệt độ của nồi sau thấp hơn nồi trước nhưng nồng độ lại cao hơnnồi trước nên độ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thốnggiảm từ nồi đầu đến nồi cuối

3.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:

3.2.1 Sơ đồ công nghệ:

3.2.2 Thuyết minh sơ đồ

- Dung dịch KNO35% được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đóđược cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch KNO3

đi bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống

- Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị

cô đặc tuần hoàn ống tâm hai nồi xuôi chiều, ở đây dung dịch đi bên trong ống tuầnhoàn trung tâm và ống truyền nhiệt, còn hơi đốt là hơi bão hòa sẽ đi bên ngoài ống, tạiđây dung dịch được cô đặc đến nồng độ 23%

- Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc, hơi đốt đi bên ngoài ốngtruyền nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nướcngưng có cốc tháo nước ngưng để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưngcũng sẽ được cho thoát ra bên ngoài qua ống xả

- Hơi thứ của thiết bị cô đặc được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước

để ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụphần hơi còn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không

Chú thích:

(1) Thùng chứa dung dịch đầu(2) Thùng cao vị

(3) Lưu lượng kế(4) Bơm

(5) Thiết bị gia nhiệt hỗn hợpđầu (6), (6’) Buồng đốt nồi côđặc (7), (7’) Buồng bốc nồi côđặc

(8) Thiết bị ngưng tụ baromet(9) Thiết bị thu hồi bọt

(10) Thùng chứa nước(11) Thùng chứa sản phẩm(12) Bơm chân khôngDung dịch ban đầu có nồng độ thấp chứa trong thùng (1) qua bơm (4) được bơmlên thùng cao vị (2) Từ đây nó được điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu qua lưu lượng

kế (3) trước khi vào thiết bị gia nhiệt (5) Tại thiết bị (5), dung dịch được đun nóng đếnnhiệt độ sôi bằng tác nhân hơi nước bão hòa và được cấp vào buồng đốt của nồi cô đặcthứ nhất (7) Ở nồi thứ nhất, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóngkiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào

buồng đốt để đun nóng dung dịch, nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửatháo nước

ngưng Dung môi bốc hơi lên trên buồng bốc hơi (6) của nồi 1 được gọi là hơi thứ Hơithứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phầndung dịch bốc hơi theo Dung dịch từ nồi thứ nhất tự chảy sang nồi thứ 2 do có sựchênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước Tạinồi 2 cũng xảy ra quá trình bốc hơi tương tự như ở nồi 1 với tác nhân đun nóng chính

là hơi thứ của nồi thứ nhất (đây chính là ý nghĩa về mặt sử dụng nhiệt độ trong cô đặcnhiều nồi) Hơi thứ của nồi 2 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (8) Ở đây hơi thứ sẽ đượcngưng tụ lại thành lỏng, chảy vào thùng chứa ở ngoài, còn khí không ngưng đi vàothiết bị thu hồi bọt (9) rồi vào bơm hút chân không (12) Dung dịch sau khi ra khỏi nồi

2 được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào thùng chưa sản phẩm Nước ngưngtạo ra trong hệ thống đi qua các ống tháo nước ngưng tập kết tại thùng (10) đưa đi xửlý

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 củanồi 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 sẽlàm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịchvào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóngdung dịch do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dungdịch trước khi vào nồi nấu đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nướcngưng tụ

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

Các số liệu ban đầu:

- Nồng độ đầu vào của dung dịch: 5 % khối lượng

- Nồng độ cuối của dung dịch: 23 % khối lượng

- Áp suất hơi đốt nồi đầu: 5 at

- Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2 at

1 Xác định lương hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống

Áp dụng công thức: W = Gđ

Trong đó:

(1 −xđ) , kg/h [2-55]

x c

W - Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (kg/h)

xđ- Nồng độ đầu vào của dung dịch: xđ= 5%

xc - Nồng độ cuối của dung dịch: xc= 23%

Gđ- Lượng dung dịch đầu: Gđ= 10800 (kg/h)Thay số, ta có: : W = G (1 −xđ) = 10800 (1 −23) = 8452,17 (kg/h)

đ

2 Tính sơ bộ lượng hơi bốc ra khỏi 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= 1,04 (1)Mặt khác: W = W1+W2

4 Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P

∆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 được: ∆P = p1– Png= 5 – 0,2 = 4,8 (at)

5 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi

- Nhiệt lượng riêng: i1= 2754000 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r1= 2117000 (J/kg)

Nồi cô đặc 2:

Áp suất hơi đốt: p2= p1- ∆P1= 5 – 3,47 = 1,53 (at)Tra bảng I.251 [1-313] và nội suy ta có:

- Nhiệt độ hơi đốt: T2= 111.37oC

- Nhiệt lượng riêng: i2= 2699667 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r2= 2230333 (J/kg)

6 Tính nhiệt độ t i ’ và áp suất của hơi thứ ra khỏi từng thiết bị cô đặc:

Áp dụng công thức: t′ = Ti+1+ ∆i′′′

Trong đó:

Ti+1 – nhiệt độ của hơi đốt cho nồi (i + 1)

∆i′′′- tổn thất nhiệt do trở lực đường ống( chọn ∆1′′′ = ∆2′′′= 1𝑜𝐶)

Thay số ta được:

Nồi cô đặc 1:

Nhiệt độ hơi thứ: t1′ = T2 + ∆′′′= 111,37 + 1 = 112,37 (oC)

Tra bảng I.251 [1-313], nội suy ta có:

- Áp suất hơi thứ: p1’ = 1,59 (at)

- Nhiệt lượng riêng: i1’ = 2699787 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r1’ = 2227847 (J/kg)

Nồi cô đặc 2:

Áp suất hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ là Png=0,2 at,

Tra bảng I.251 [1- 313], nội suy ta được Tng= 59,7oC

Nhiệt độ hơi thứ: t2′ = Tng + ∆2′′′= 59,7 + 1 = 60,7oC

Tra bảng I.251 [1-313], nội suy ta có:

- Áp suất hơi thứ: p2’ = 0,21 (at)

- Nhiệt lượng riêng: i2’ = 2608444 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r2’ = 2355556(J/kg) Ta có bảng:

Bảng 1: Các thông số hóa lí của hơi đốt và hơi thứ trong từng nồi cô đặc

Nồi

(%)

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

(∆’’’)

7.1 Tính tổn thất nhiệt đọ 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

Ta có công thức:

∆i’’ = ttb- ti’ (oC)Trong đó: ttb- nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptbi(oC)

ti’ - nhiệt độ sôi ứng với pi’ (oC)

Ptbilà áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối (lỏng – hơi) trong ống tuần hoàn

Theo công thức VI.12 [2 – 60]:

Ptbi= p′i+ 2 (h1+ 2) 9,81 104, at

Trong đó:

- 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= 0,5 m

- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H=5m-ρdd: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

- g: gia tốc trọng trường, m/s2

Nồi cô đặc 1:

p1’= 1,53atTra bảng I.204 [1-236] và nội suy ta được:

∑ ∆′′= ∆1′′ + ∆2′′ = 2,87 +12,42 = 15,29 (oC)

7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆′:

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

∆′- Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi củadung môi nguyên chất ở áp suất thường

f- Hệ số hiệu chỉnh tính theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất

ttb- nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb(K)

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

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

Với nồi cô đặc 1: Ts1=ttb1+ 273=115,24 + 273=388,24oK

Với nồi cô đặc 2: Ts2=ttb2+ 273=73,12 + 273=346,12oK

Tra bảng VI.2 [2 – 66] và nội suy ta có:

x1=8,11% ta có ∆o1’=0,73oC

x2=23% ta có ∆o2’= 2,31oCVậy:

r1 2

= 16,2.tb= 16,2

r2

388,242

2227847346,122

7.3.Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống ∆i’’’

Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị Đó là đoạn nối giữanồi 1 với nồi 2, nồi 2 với thiết bị ngưng tụ Trong giả thiết mục 6 khi tính nhiệt độ và

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

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

8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

𝑡𝑠𝑖=𝑡′𝑖+ ∆′𝑖+ ∆′′𝑖, ℃-Nồi 1:

𝑡𝑠1=𝑡′1+ ∆′1+ ∆ ′′1= 112,37 + 0,8 + 2,87 = 116,04 (℃)-Nồi 2:

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

lượng hơi thứ Wi ở từng nồi

9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng

Trong đó:

- D: Lượng hơi đốt đi vào nồi 1

- Co, C1, C2: nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, dung

dịch ra khỏi nồi 1, 2

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

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

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

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

lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ở từng nồi)

9.2 Xác định nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi.

Với dung dịch loãng (x < 20%), ta sử dụng công thức:

C= 4186 (1-x) [1-152]

Dung dịch đầu có nồng độ 5%:

Co= 4186 × (1 − 0,05) = 3976,7 (J/Kg độ)Dung dịch ra khỏi nồi 1 có nồng độ 8,11%:

C1= 4186 × (1 − 0,0811) = 3846,52 (J/Kg độ)Với dung dịch đặc (x>20%), ta dùng công thức:

101

Dung dịch ra khỏi nồi 2 có nồng độ 23%:

C2= 0,23 × 1013,86 + 4186 × (1 − 0,23) = 3456,41 (J/kg độ)

● Các thông số của nước ngưng:

Nhiệt độ của nước ngưng (lấy bằng nhiệt độ hơi đốt trong nồi cô đặc):

θ1= T1= 151,1oC; θ2= T2= 111,37oCTra bảng I.249 [1-249] và nội suy ta có:

Cnc1= 4299,84 J/Kg.độ ; Cnc2= 4224,03 J/Kg.độ

● Nhiệt độ sôi của dung dịch đi vào các nồi

tso: Nhiệt độ sôi của dung dịch đi vào nồi 1, oC

ts1: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1,oC

ts2: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2,oC

tso= ts1=116,04oC

ts2=75,02oC

9.3 Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Với nồi cô đặc 1:

Lượng nhiệt đi vào nồi:

Dung dịch đầu GđCotso;Hơi đốt D.i1

Lượng nhiệt đi ra nồi:

Sản phẩm mang ra (Gđ-W1) C1.ts1;Hơi thứ W1.i1;

Nước ngưng D Cnc1.θ1;Tổn thất Qm1= 0,05D (i1- Cnc1θ1)

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:

𝐷 𝑖1+𝐺đ.𝐶o.𝑡𝑠0=𝑊1.𝑖1′ + (𝐺đ−𝑊1).𝐶1.𝑡𝑠1+𝐷 𝐶𝑛𝑐1.𝜃1+𝑄𝑚1

Với nồi cô đặc 2:

Lượng nhiệt đi vào nồi:

Dung dịch đầu: G1.C1.ts1;Hơi đốt: W1i2

Lượng nhiệt đi ra nồi:

Sản phẩm mang ra: (Gđ-W1-W2).C2.ts2;Hơi thứ : W2.i2’;

Nước ngưng: W.Cnc2.θ2;Tổn thất: Qm2= 0,05.W1.(i2- Cnc2θ2)

Ta có hệ phương trình:

D i1 + Gđ Co ts0 = W1 i1′+ (Gđ − W1 ) C1 ts1 + D Cnc1 θ1 + Qm1{W1 θ2 + (Gđ − W1) C1 ts1 = W2 i2 + (Gđ − W1 − W2) C2 ts2 + W1 Cnc2 θ2 +

Qm2 W1 + W2 = W

ts2 )+ Gđ

(C2

ts2 −C1

ts1)0,95(i

2 −Cnc2

θ2 ) +

ts1)W1 (i1 ′ − C1 ts1 ) + Gđ (C1 ts1 − C0

8452,17 (2608444 − 3456,41 75,02) +

10800 ( 3456,41 75,02 − 3846,52 116,04 ) 0,95(2699667 − 4224,03 111,37) + (2608444 − 3846,52 116,04 ) W1 (2699787 − 3846,52 116,04 ) + 10800(3846,52 116,04 − 3976,7 116,04)

0 , 9 5 ( 2 7 5 4 0 0 0

− 4 2 9 9 , 8 4 1 5 1 , 1 ) W 2

= 8 4 5 2 , 1 7

− W 1

W1 = 4167,02 (kg/h)

{W2 = 4285,15 (kg/h)

D = 4615,61 (kg/h)

Với nồi cô đặc 1:

Với nồi cô đặc 2:

𝜀1=

𝜀2=

4167,02 − 4143,22

= 0,57%4243,22

4308,95 − 4285,15

= 0,55%4243,22

Bảng 3: Lượng hơi thứ bốc ra ở từng nồi và sai số so với giả thiết

Nồi

C[J/kg.độ]

Cnc[J/kg.độ]

isố

%Giả thiết Tính toán

1 3846,52 4299,84 151,1 4143,22 4167,02 0,57

2 3456,41 4221,86 111,37 4308,95 4285,15 0,55

10 Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt lượng trung bình từng nồi α

Minh hoạ quá trình truyền nhiệt:

10.1 Tính hệ số cấp nhiệt

Chọn ống truyền nhiệt có đường kính: 38x2 (mm)

Với điều kiện làm việc buồng đốt ngoài H < 6m, hơi ngưng tụ bên ngoài ống,màng nước ngưng chảy dòng nên hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

∆1𝑖 𝐻

Với Aiphụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng

Trong đó:

- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 5m

- 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 vớihơi đốt của nồi i,oC

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

Nồi 1: ∆𝑡11= 4,53 (oC)Nồi 2: ∆𝑡12= 4,54 (oC)Nhiệt độ màng nước ngưng:

= 111,37 −2

4,53

= 148,84(℃)2

4,54

= 109,10 (℃)2

Từ nhiệt độ màng nước ngưng, ta bảng [2-28] và nội suy ta có:

𝑡𝑚1 = 148,84 (oC) => A1 = 195,33

𝑡𝑚2 = 109,10 (oC) => A2 = 183,10Thay số ta được:

.𝐻

)4,54.5

= 6613,09 [𝑊/𝑚2 độ]

10.2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

Gọi q1ilà nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ của nồi i

Nồi ∆𝑡1𝑖 (oC) 𝑡𝑚1(oC) A 𝛼11[W/m2.độ] q1i(W/m2)

10.3 Hệ số cấp nhiệt α 2 từ bề mặt ống truyền nhiệt đến chất lỏng sôi:

Dung dịch sôi ở chế độ sủi bọt, có đối lưu tự nhiên, hệ số cấp nhiệt xác định theocông thức: α2i= 45,3.(pi′).0,5.∆t2i.2,33.Ѱi[W/m2.độ]

∆t2i: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch

∆t2i= tT2i− tddi= ∆Ti− ∆t1i− ∆tTiHiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống truyền nhiệt ∆tTi= q1i ∑ r

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt Chọn vật liệu làm ốngtruyền nhiệt là thép Crom Niken Titan (X18H10T) hệ số dẫn nhiệt của nó làλ=16,3 [W/m.độ]

Thay số ta được:

∑ 𝑟 = 𝑟1+ 𝑟2+ 𝛿

= 0,000387 +0,000232 +𝜆

- 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 của dung dịch tại nhiệt độ sôi

a) Các thông số của nước:

Tra bảng I.129 [1-133] và nội suy:

ts1=116,04oC, λ𝑛𝑐1= 0,685 W/m.độ

ts2= 75,02oC, λ𝑛𝑐2=0,671 W/m.độTra bảng I.104 [1-96] và nội suy:

ts1=116,04oC, ρn𝑐1= 946,40 kg/m3

ts2= 75,02oC, ρ 𝑛𝑐2=974,88 kg/m3

b) Các thông số của dung dịch trong nồi cô đặc:

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch KNO3tính theo công thức:

𝜌

λ𝑑𝑑= 𝐴 C𝑑𝑑 𝜌

𝑀Trong đó:

- A: Hệ số tỷ lệ với chất lỏng liên kết A = 3,58.10-8

- Cdd: Nhiệt dung riêng của dung dịch

Tính toán ở bước 9 ta có:

Cdd1= 3846,52 [J/kg.độ] ;

-M: Khối lượng mol của dung dịch được tính theo công thức:

M = MKNO3 NKNO3+ MH2O NH2O= 101 NKNO3+ 18 (1 – NKNO3)

NKNO3: Phần mol của KNO3trong dung dịch

Với nồi cô đặc 1:

𝜌 2= 3,58 10−8.3456,41 1041,0 3

Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước, t1= 20oC; t2= 30oC

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

t1= 20oC, x = 8,11% → μ11= 0,9738 10−3[N.s/m2]

t2= 30oC, x = 8,11% → μ21= 0,8 10−3[N.s/m2]Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có:

μ11= 0,9738 10−3[N.s/m2] → θ11= 21,32oC

μ21= 0,8 10−3[N.s/m2] → θ21= 30,04oCTại ts1= 116,04oC, dung dịch có độ nhớt là μdd1tương ứng với đột nhớt của nước

có nhiệt độ là θ31:

20 − 30 30 − 116,04

=21,32 − 30,04 30,04

μ12= 1,028 10−3[N.s/m2] → θ11= 19,08oC

μ22= 0,834 10−3[N.s/m2] → θ21= 28,11oCTại ts2= 75,02oC, dung dịch có độ nhớt là μdd1tương ứng với đột nhớt của nước

có nhiệt độ là θ32:

20 − 30 30 − 75,02

=19,08 − 28,11 28,11

− 𝜃32

=> 𝜃31= 68,77℃

Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ31= 68,77oC ta được

μdd2= 0,413 10-3[N.s/m2]Thay các số liệu vào công thức tính hệ số hiệu chỉnh ta có:

Với nồi cô đặc 1: