Do an hoa cong do an co dac 32x9ugsuha 20130415082922 577

Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều cóphòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaOH, năng suất 6480 kg/h, nồng độ đầu 7%,nồng độ

5 Chênh lệch áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 8

6 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi 9

7.1/ Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao 10

7.3/ Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống 12

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

8.2/ Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong từng nồi 12

9 Tính lượng hơi đốt, lượng hơi thứ trong từng nồi 13 9.1/ Tính nhiệt dung riêng của dd KNO3 13

9.3/ Lập phương trình của cân bằng nhiệt lượng 14

10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 16

10.1/ Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 16 10.2/ Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 17 10.3/ Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 18 10.4/ Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 20

2.1/ Tính lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 24 2.2/ Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ 24

2.4/ Tính diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang

2.7/ Kích thước ống Baromet 27

2.9/ Tính lượng hơi nước và không khí ngưng 28

V.A.6/ Tìm bích để lắp đáy và thân, số bulong cần thiết

V.C.1/ Tính đường kính các ống dẫn hơi dung dịch vào và ra thiết bị 41

1.5/ Ông tháo nước ngưng 44

I.Phần mở đầu:

Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế thiết bị, hệ thống thiết

bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản xuất, sinh viên khoa công Nghệ Hoá học được nhận

đồ án môn học“ Qúa trình & Thiết bị công Nghệ Hoá học“ Việc làm đồ án là một công việc tốtgiúp cho mỗi sinh viên trong bước tiếp cận tốt với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượngkiến thức của giáo trình“ Cơ sở các quá trinh & thiết bị Công Nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượngkiến thức đó và lượng kiến thức của môn học khác, mỗi sinh viên biết dùng tài liệu tham khảotrong tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong thiết kế, tự nâng cao kỹ năng vậndụng, tính toán, trình bày nội dung thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề mộtcách có hệ thống

Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều cóphòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaOH, năng suất 6480 kg/h, nồng độ đầu 7%,nồng độ sản phẩm 22%

Quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan( không hoặc khó bay hơi)trong dung môi bay hơi Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch

ở dạng hơi, còn dung chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất

sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp nay cùng bay hơi, chỉ khácnhau về nồng độ ở mỗi nhiệt độ Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ,hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng 1 thiết bị khác

Cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa về sử dụngnhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơibốc lên ở nồi này được đưa vào nồi thứ 2 để làm hơi đốt, hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm hơi đốt chonồi thứ 3… Hơi thứ ở nồi cuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồiđầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốchơi Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến Ưu điểm của loại này là dung dịch

tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi Nhược điểm của nó là

nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt của dung dịch tăngdần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

II.Sơ đồ mô tả dây chuyền sản xuất

Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục :

Dung dịch đầu(NaOH) được bơm( 6) đưa vào thùng cao vị số( 5) từ thùng chứa, sau đó chảyvào thiết bị trao đổi nhiệt( 3) ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt

độ sôi rồi đi vào nồi 1 ở nồi 1, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ốngchùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóngdung dịch Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung môi bốchơi lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phậntách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua bọt Hơi thứ ra khỏi nồi 1 đượclàm hơi đốt cho nồi 2 Dung dịch từ nồi 1 tự di chuyển sang nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suấtlàm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơnnhiệt độ của nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả làdung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quátrình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dungdịch do đó cần phải tiêu tốn thêm 1 lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôichiều dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu được đun nóng sơ bộ

Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được đưa vào thùng chứa sản phẩm Hơi thứ bốc ra khỏi nồi thứ

2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ barômet Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuốnghơi cần ngưng đi từ dưới đi lên, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet( 10) ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi vào bơm hút chân không

III.Tính thiết bị chính:

Các số liệu đầu :

 Năng suất tính theo dung dịch đầu Gd = 12600 [ kg/ h ]

 Nồng độ đầu của dung dịch

 Nồng độ cuối của dung dịch

 Áp suất suất hơi đốt

 Áp suất hơi ngưng tụ

1 Tổng lưọng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống : W ( kg/h )

2 Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi:

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : , [kg/h]

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 : , [kg/h]

Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là:

Ta có hệ:

3 Nồng độ dung dịch trong mỗi nồi :

Ta được : phù hợp với số liệu ban đầu

4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống : ∆p

Theo công thức:

5 Chênh lệch áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi:

Gọi ∆pi: chênh lệch áp suất trong nồi thứ i [at]

Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là:

- Nhiệt lượng riêng:

 Nồi 2: với ta được : - Nhiệt độ hơi đốt:

- Nhiệt lượng riêng:

6 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi:

Gọi : nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i (i =1,2)

: tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (chọn )

 Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là:

 Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là:

Tra bảng I.250 [3.314] (Tính chất lý hóa của hơi nước bão hòa phụ thuộc nhiệt dộ) ta có :

 Nồi 1: với ta được: - Áp suất hơi thứ: [at]

- Nhiệt lượng riêng:

 Nồi 2: với ta được : - Nhiệt độ hơi đốt:

- Nhiệt lượng riêng:

Bảng tổng hợp số liệu 1:

P, at T, oC i, KJ/Kg r, KJ/Kg p’, at t’, oC i’, KJ/Kg r’, Kj/Kg

2 1,583 112.4 2702.15 2227.85 0,21 60,7 2609,59 2355,26 25

7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi:

7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh tăng cao ∆i’’:

Công thức tính:

Với: : nhiệt độ sôi ứng với [at]

: nhiệt độ sôi ứng với [at]

là áp suất thủy tĩnh ở giữa ống truyền nhiệt, tính theo công thức:

,

Trong đó:

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

: chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng, chọn =0,5 [m] H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 5 [m]

: khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt 20 oC [kg/m3]

g: gia tốc trọng trường

Với nồi 1 :

Tra bảng I.59 [3-46] – Khối lượng riêng của dung dịch NaNO3- nước và nội suy với và

ta có

Thay vào phương trình ta có:

Tra bảng VI.2 [4-63] và nội suy với nồng độ dung dịch là ta được

Với nồi 2 ta có:

Tra bảng VI.2 [4-63] và nội suy với nồng độ dung dịch là ta được

Tính nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi theo công thức:

7.3 Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống:

8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi

Ta có:

Bảng tổng hợp số liệu 2:

Nồi

1 1,16 2,9 1 33,66 117,44 2 2,71 14,9 1 35,12 77,24

9 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng hơi thứ W i ở từng nồi: 9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng:

Trong đó:

D: lượng hơi đốt cho vào nồi 1

C0, C1, C2: nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2

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

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

, : nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2

, : nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2 (bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn để bốc hơi ở từng nồi)

9.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch :

Với dung dịch loãng nhiệt dung riêng tính theo công thức:

9.3 Các thông số của nước ngưng:

Nhiệt độ của nước ngưng :

Nhiệt dung riêng của nước ngưng:

Tra bảng I.249 [ 3-310 ] và nội suy với:

 do nước ngưng:

 do tổn thất Qm2:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 2:

Kết hợp phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1 và nồi 2 với phương trình ta có

hệ phương trình:

Giải hệ phương trình này ta được:

Thay các số liệu ta có :

Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi:  

Kiểm tra sai số:

10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:

10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi

Chọn ống truyền nhiệt có kích thước: [mm]

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

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng

Nhiệt độ màng tính theo công thức:

Tra bảng A-t [2-28] và nội suy ta có:

10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

Gọi : 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

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

Ta có:

Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt:

Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt: [m2độ/W]

: Nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của thành ống

Tra bảng II.V.1 [4 – 4] lấy:

[m2độ/W] là nhiệt trở của cặn bẩn ( )

là nhiệt trở của chất tải nhiệt (hơi nước)

: bề dày ống truyền nhiệt, (m)

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (chọn thép cacbon) [W/m.độ] Thay số vào ta có:

Các thông số của nước :

 Tra bảng I.129 [3 – 133] và nội suy ta có :

Các thông số của dung dịch :

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

[3-123]

A : Hệ số tỷ lệ với chất lỏng liên kết

: Nhiệt dung riêng của dung dịch Theo tính toán ở bước 9 ta có :

[J/kg.độ]; [J/kg.độ]

 : Khối lượng riêng của dung dịch  Tra bảng I.59 [3 – 46] và nội suy ta có:

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

 : phần mol của trong dung dịch

và ta có Tra bảng I.102 [3-94] ta có:

Tại dung dịch có độ nhớt là tướng ứng với nhiệt độ của nước có cùng độ nhớt nên ta có:

Tra bảng I.102 [3-94] và nội suy với ta được

Thay các số liệu vào công thức tính hệ số hiệu chỉnh ta có:

IV Tính thiết bị phụ:

1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet:

2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ baromet:

- Lượng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc:

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ là:

Với : i: nhiệt lượng riêng của hơi nước ngưng

, :nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh Chọn ;

: nhiệt dung riêng trung bình của nước, chọn ở nhiệt độ ta có: (J/kg.độ)

Thay vào công thức ta có:

Chiều rộng tấm ngăn tính theo công thức: (mm) [4-79]

Với là đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, Ta có:

Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ, đường kính lỗ là 5 mm (nước làm nguội là nước bẩn), chiềudày tấm ngăn là 4 mm

2.4/ Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ:

: tỉ số giữa tổng diện tích thiết diện các lỗ với diện tích thiết diện của thiết bị

ngưng tụ Chọn

2.6/ Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ:

Mức độ đun nóng thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức sau:

Trong đó là nhiệt độ của hơi bão hòa ngưng tụ

Quy chuẩn theo bảngVI.7 [4-86] lấy

Đường kínhcủa tia nước

Ta có chiều cao của thiết bị ngưng tụ:

Thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đókhoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên trên khoảng 50 mm cho mỗingăn Khi đó chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ là Khoảng cách trung bình giữa các ngăn

là 400 mm, ta chọn khoảng cách giữa hai ngăn dưới cùng là 450 mm

Thay số vào ta được :

Thay số vào ta có:

3 Tính toán bơm chân không:

Công suất của bơm tính theo công thức:

Tra bảng II.58 [3_513]Bơm chân không vòng nước PMK

Chọn bơm PMK 1, quy chuẩn theo công suất trên trục bơm :

Công suất kW

Số vòng/phút: (vòng/phút)

Công suất động cơ điện đã quy định : (kW)

Lưu lượng nước : 0,01

V Tính toán cơ khí:

V.A_Buồng đốt:

V.A.1/ Xác định số ống trong buồng đốt:

( ống )

Trong đó:

F : Tổng bề mặt truyền nhiệt, quy chuẩn theo [4-80] chọn

Ta chọn đường kính ngoài của ống truyền nhiệt là mm với bề dầy là 2 mm d: dường kính trong của ống truyền nhiệt(do ), mm l: chiều cao ống truyền nhiệt, (m)

Thay vào ta có ( ống)

Quy chuẩn theo bảng V.11[4-48] ta có:

 số hình sáu cạnh: 7

 số ống trên hình xuyên tâm của hình sáu cạnh :15

 tổng ống không kể các ống trong hình viên phân : 169

 số ống trên hình viên phân ở dãy thứ nhất :3

 số ống trên hình viên phân ở dãy thứ hai, thứ ba : 0

 tổng ống trong tất cả các hình viên phân : 18

 tổng số ống của thiết bị :187

V.A.3/ Xác định đường kính trong của buồng đốt:

Tính theo công thức :

t : bước ống thường lấy

d đường kính ngoài của ống truyền nhiệt mm

b số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh

Thay số ta có :

(m)Quy chuẩn theo bảng XIII.6 chọn mm

V.A.4/ 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 sảnxuất 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 CT3 Tra bảng XII.4 [4_309]

giới hạn bền kéo :

giới hạn bền chảy :

ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn chảy là: [4-346]

ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn kéo là: [4-346]

Với : hệ số an toàn theo giới hạn chảy, giới hạn kéo của thép CT3 Tra bảng XIII.3 [4-346]

: hệ số điều chỉnh, tra bảng XIII-2 [4-346] theo nhóm thiết bị đã chọn ta có

Như vậy ta có :

;

Vậy ứng suất cho phép của vật liệu là:

Ta có công thức tính chiều dày phòng đốt là:

(m)

Với:

: đường kính trong phòng đốt, m

: ứng suất cho phép của vật liệu, N/m2

: hệ số bền hàn của thanh trụ theo phương dọc, ta chọn hàn bằng tay với mm,thép CT3 nên

c: là tổng các hệ số: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (đểchống ăn mòn khi gia công), chọn c ở môi trường ăn mòn c = 2 (mm)

: áp suất bên trong thiết bị = 5 at

Vậy chiều dầy là :

Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [4-364] lấy mm

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

[4-365]

Ta có:

: áp suất thử tính toán được tính theo công thức:

: áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [4-348] Với thiết bị kiểu hàn, làm việc ở điều kiện

áp suất từ 0,07 đến 0,5.106 N/m2 ta có :

: áp suất thuỷ tĩnh của nước :