Đồ án thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài dùng cho cô đặc dung dịch cacl2 với năng suất 3,5 kgs

1 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU 5 PHẦN 1 PHẦN MỞ ĐẦU 6 1 Giới thiệu chung 6 2 Giới thiệu về quá trình cô đặc 7 3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng 8 PHẦN 2 SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 9 2 1 Sơ đồ công n[.]

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 5

PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU 6

1.Giới thiệu chung 6

2 Giới thiệu về quá trình cô đặc 7

3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng 8

PHẦN 2: SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 9

2.1 Sơ đồ công nghệ 9

2.2 Nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị 10

PHẦN 3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 11

* Các số liệu đầu 11

3.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W 11

3.2 Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi 11

3.3 Tính nồng độ cuối của dung dịch trọng mỗi nồi 11

3.4 Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP 12

3.5 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 12

3.6 Tính nhiệt độ (t’i) và áp suất hơi thứ (p’i )ra khỏi mỗi nồi 12

3.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 13

3.7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆’’ 13

3.7.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (Δ’) 14

3.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống ……… 15

3.8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 15

3.8.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi 15

3.9 Cân bằng nhiệt lượng 16

3.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 16

3.9.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 17

3.9.3 Tính toán lượng hơi thứ thoát ra và lượng hơi đốt cần thiết 18

3.10 Tính toán hệ số cấp nhiệt và nhiệt trị riêng cho từng lưu thể 19

3.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi 19

3.10.2 Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ phía trong ống đến bề mặt lưu thể 20

a Tính hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt truyền nhiệt 20

b Xác định Δt2i – Hiệu số nhiệt độ giữa ống truyền nhiệt và dung dịch cần cô đặc 21

c Tính hệ số hiệu chỉnh Ψ 21

3.10.3 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch 24

3.10.4 So sánh q1i và q2i 25

3.11 Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi 25

3.12 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi 26

3.13 So sánh ∆ Ti∗¿ và ∆ Ti 26

3.14 Tính bề mặt truyền nhiệt F 27

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 28

4.1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet 28

4.1.1 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ baromet: 28

4.1.2 Tính lượng nước làm lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ : 28

4.1.3 Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ: 29

4.1.4 Tính kích thước tấm ngăn: 29

4.1.5 Tổng điện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ 29 4.1.6 Tính bước lỗ t 30

4.1.7 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ: 30

Mức độ đun nóng thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức sau: 30

4.1.8 Tính kích thức ống baromet 31

4.1.9 Xác định chiều cao ống baromet: 31

4.1.10 Tính lượng hơi và khí không ngưng 32

4.2 Tính toán bơm chân không: 32

4.3 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 33

4.3.1 Tính nhiệt lượng trao đổi 33

4.3.2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích 34

4.3.3 Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ 34

4.3.4 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 35

4.3.5 Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy 35

4.3.6 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch 38

4.3.7 So sánh q1v àq2 38

4.3.8 Xác định bề mặt truyền nhiệt 39

4.3.9 Xác định số ống truyền nhiệt 39

4.3.10 Tính đường kính trong của thiết bị đun nóng 40

4.3.11 Tính vận tốc và chia ngăn 40

PHẦN 5 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 42

5.1 Tính buồng đốt nồi cô đặc 42

5.1.1 Xác định số ống trong buồng đốt 42

5.1.2 Xác đường kính trong của buồng đốt 42

5.1.3 Xác định bề dày buồng đốt 43

5.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống 46

5.1.5 Tính chiều dày đáy phòng đốt 48

5.1.6 Tính chiều dày nắp phòng đốt 50

5.1.7 Tra bích để lắp đáy, nắp và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép 51

5.2 Buồng bốc hơi 52

5.2.1 Thể tích phòng bốc hơi 52

5.2.2 Chiều cao phòng bốc hơi 53

5.2.3 Chiều dày phòng bốc hơi 53

5.2.4 Tính chiều dày nắp buồng bốc 54

5.2.5 Tra bích để nắp và thân, số bulong cần thiết để lắp ghép 56

5.3 Tính một số chi tiết khác 57

5.3.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào và ra 57

5.3.1.1 Ống dẫn hơi đốt vào dtr1 57

5.3.1.2 Tính đường kính ống dẫn dung dịch vào dtr2 58

5.3.1.3 Tính đường kính ống dẫn hơi thứ ra dtr3 59

5.3.1.4 Tính đường kính ống dẫn dung dịch ra dtr4 60

5.3.1.5 Tính đường kính ống tháo nước ngưng 61

5.3.2 Tính tai treo và chân đỡ 62

5.3.2.1 Tính Gnk 63

5.3.2.2 Tính Gnd 67

5.3.2.3 Chọn tai treo và chân đỡ 68

5.3.3 Chọn kính quan sát 69

5.3.4 Tính bề dày lớp cách nhiệt 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường phải làmviệc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng Để nâng cao nồng độcủa dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớtdung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chấtrắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡngbức, phòng đốt ngoài , trong đó thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài được dùng phổ biến vìthiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất sử dụng cao dâytruyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêucầu Trong thực tế người ta thường sử dụng thiết bị hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệusuất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bịhay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, em được nhận đồ án môn học :

“Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích chomỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khốilượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ trên

cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan, mỗisinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật cógiới hạn trong quá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phảibiết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy địnhtrong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoahọc và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này, em cần thực hiện là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôichiều , thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài dùng cho cô đặc dung dịch CaCl2 với năng suất 3,5kg/s, chiều cao ống gia nhiệt 5m, nồng độ dung dịch ban đầu 5%, nồng độ sản phẩm30%, áp suất hơi đốt nồi 1 là 4 at, áp suất hơi ngưng tụ là 0,2 at Dung dịch vào nồi 1 ởnhiệt độ sôi. 

PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU

1.Giới thiệu chung

1.1 Tính chất hóa học

- Công thức hóa học: CaCl2

- Canxi Clorua CaCl2, là tinh thế lớn, màu trắng hoặc không màu, có vị mặn đắng.Tan nhiều trong nước Thường tồn tại ở dạng kết tinh với 6 phân tử nước có CTHH làCaCl2.6H2O Ngoài ra còn có canxi clorua ngậm hai nước là CaCl2.2H2O và canxi cloruakhan CaCl2

- Khi đung nóng CaCl2, CaCl2.6H2O mất bốn phân tử nước chuyển thành đihidrat làCaCl2.2H2O có dạng hình khối xốp trắng

- Khi nung chảy CaCl2.2H2O và làm mất nước, nó trở thành CaCl2 khan : là mộtkhối tinh thế trắng, rất háo nước Do bị phân hủy một phần nên CaCl2 nóng chảy luônluôn chứa một lượng CaO canxi oxit

- Clorua canxi có thể gây dị ứng, cụ thể là trên da ẩm Đeo găng tay và kính hay mặt

nạ để bảo vệ tay và mắt; tránh hít thở phải hơi hay bụi chứa clorua canxi

- Clorua canxi khan phản ứng tỏa nhiệt khi tiếp xúc với nước Các vết bỏng có thểsinh ra tại miệng hay thực quản nếu vô tình nuốt phải các viên clorua canxi khan

- Bảo quản: Calcium Chloride khan phải được giữ trong nắp đậy kín chứa không khí

1.3 Ứng dụng

Trong công nghiệp, hóa chất CaCl2 được ứng dụng rộng rãi Có hàng triệu tấnClorua canxi (hóa chất CaCl2) được sản xuất mỗi năm, như tại Bắc Mỹ, lượng tiêu thụnăm 2002 là 1.687.000 tấn (3,7 tỷ pao) Các cơ sở sản xuất của Công ty hóa chất Dow tạiMichigan chiếm khoảng 35% tổng sản lượng tại Hoa Kỳ về clorua canxi

Trong công nghiệp CaCl, là chất có ứng dụng rất nhiều như: trong ngành côngnghiệp dệt nó là một trong những nguyên liệu thô phụ gia hỗ trợ được dùng làm chất hút

ẩm, chống sương mù, chống bụi, và chống cháy trong công nghiệp dệt Nó cũng đượcdùng trong tái chế giấy nhằm tách thành phần mực in, được dùng trong các bể bơi nhằmtránh ô nhiễm

Phụ gia: ngành thực phẩm: được dùng trong sản xuất kem, là phụ gia đông cứng,dùng trong sản phẩm đậu, bia, nước giải khát ngoài ra CaCl2 còn là chất phụ gia chongành công nghiệp sản xuất xi măng pooclăng giúp làm tăng giá trị sản phẩm côngnghiệp Canxi clorua khan dùng cho điện phân sản xuất canxi kim loại và điều chế cáchợp kim của canxi Với tính hút ẩm lớn của canxiclorua cho phép dùng nó làm tác nhânsấy khí và các chất lỏng Nhiệt độ đông đặc thấp của các dung dịch CaCl2 cho phépchúng làm chất tải lạnh trong các hệ thống lạnh

Do áp suất hơi thấp của các hydrat và các dung dịch Canxiclorua nên được dùng đểhạn chế bụi đường xá Canxiclorua còn dùng để diệt cỏ trên đường sắt, chất keo tụ tronghóa dược và dược phẩm và được dùng rất nhiều trong công nghiệp khoan dầu khí

2 Giới thiệu về quá trình cô đặc

- Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất tan (không hoặc khó bayhơi) trong dung môi bay hơi Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách rakhỏi dung dịch dưới dạng hơi còn chất hòa tan không bay hơi nên nồng độ của dụng dịch

sẽ tăng lên Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi à hơi thứ Hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một 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 nghĩacao về tận dụng nhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi: Dung dịch tại nồi đầu được đun

nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này sẽ được đưa sang làm hơi đốt ở nồi tiếptheo, hơi thứ ở nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ, dung dịch đi vào lần lượt từnồi trước tới nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ dung dịch tăng dần do một phần dung môi bayhơi.

- Phương pháp cô đặc hai nồi xuôi chiều là phương pháp sử dụng khá phổ biến do

có ưu điểm là dung dịch tự chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chêch lệch áp suất giữa cácnồi Nhiệt độ hơi thứ nồi một lớn hơn nhiệt độ nồi hai nên hơi thứ nồi một làm hơi đốtcho nồi hai để tiết kiệm năng lượng Nhược điểm của nó là nhiệt độ nồi sau thấp hơnnhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số dẫntruyền nhiệt của hệ thống giảm dần từ nồi đầu cho đến nồi cuối

3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

- Nguyên lý hoạt động: dung dịch đi vào buồng đốt được đun sôi tạo thành hỗn hợplỏng hơi đi qua ống dẫn vào phòng bốc hơi, ở đây hơi thứ được tách ra đi lên phía trên,dung dịch còn lại đi về phòng đốt đầu theo ống tuần hoàn Các ống truyền nhiệt có thểlàm dài đến 7m nên cường độ tuần hoàn lớn, do đó có cường độ bốc hơi lớn Đôi khingười ta ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm việc thay thế khi cần làmsạch và sửa chữa để đảm bảo quá trình làm việc liên tục

PHẦN 2: SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 2.1 Sơ đồ công nghệ

14&15&16 Cốc tháo nước ngưng

17 Thùng chứa nước ngưng

18 Thùng chứa sản phẩm

19 Bể chứa nước ngưng

2.2 Nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị

*Thuyết minh sơ đồ:

Hỗn hợp đầu (dung dịch CaCl2 5%) được đưa vào thùng chứa (1) rồi được bơm (2)hút lên thùng cao vị (3) Ở thùng cao vị có ống chảy tràn, hỗn hợp trong thùng luôn phải

ở chế độ chảy tràn trong suốt quá trình cô đặc và nó sẽ quay trở lại thùng chứa (1)

Tiếp theo, hỗn hợp đầu sẽ từ thùng cao vị chảy qua lưu lượng kế (4) rồi đi vào thiết

bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5) Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5) dung dịch được gianhiệt đến nhiệt độ sôi bằng tác nhân hơi nước bão hoà và sau đó đi vào buồng đốt (6) củanồi cô đặc 1

Tại hỗn hợp sẽ được tuần hoàn theo 1 vành tuần hoàn giữa buồng đốt rồi đi đếnbuồng bốc Hơi đốt được đưa vào trong buồng đốt để tiếp tục đun sôi hỗn hợp Nướcngưng trong buồng đốt được tháo ra ngoài ở hệ thống tháo nước ngưng (15) Hơi bốc lên

ở nồi cô đặc (6) sẽ là hơi đốt của nồi cô đặc 2, đồng thời dung dịch sau cô đặc ở nồi 1 sẽtiếp tục được đưa sang nồi 2 do sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồisau nhỏ hơn nồi trước Nước ngưng ở nồi cô đặc 2 được tháo ở hệ thống (16), dung dịch

cô đặc đạt đến nồng độ yêu cầu sẽ được làm lạnh và đưa qua bơm để đưa vào bể chứa sảnphẩm (18)

Hơi thứ của nồi cô đặc 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (10) Ở đây hơithứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy vào bể chứa (19) ở ngoài, còn khí không ngưng

sẽ đi sang thiết bị thu hồi bọt (11) rồi được bơm hút chân không (12) hút ra ngoài

PHẦN 3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

* Các số liệu đầu

- Dung dịch cần cô đặc: CaCl2

- Năng suất ban đầu: F = 3,5 (kg/s)

- Nồng độ đầu: xđ = 5% khối lượng

- Nồng độ cuối: xc = 30% khối lượng

- Áp suất hơi đốt: p1 = 4 at

- Áp suất hơi ngưng tụ: png = 0,2 at

- Chiều cao ống truyền nhiệt: H = 5m

3.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W

Áp dụng công thức [4-55]:

W = Gđ (1 - x đ

x c ), [kg/h] [4-55]

W = 12600.(1 - 305 ) = 10500 (kg/h)

3.2 Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

Lượng hơi thứ ở nồi sau sẽ lớn hơn nồi trước, giả sử tỉ lệ phân bố hơi thứ giữanồi 1 và nồi 2 là W1:W2 = 1:1,06

Nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi là:

Nồi 1: x1 = Gđ−W 1 Gđ xđ = 12600.5 %12600−5097,09=8,4% khối lượng

Nồi 2: x2 = Gđ−(W 1+W 2) Gđ xđ = 12600.5 %12600−10500=30%khối lượng

3.4 Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP

Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt

của nồi 1 với áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ

ΔP = p1 – png , [at]

ΔP = 4 – 0,2 = 3,8 (at)

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

Gọi ΔPi là chênh lệch áp suất trong nồi thứ i (at)

Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa hai nồi là ΔP1 : ΔP2 = 1,8 : 1

3.6 Tính nhiệt độ (t’i) và áp suất hơi thứ (p’i )ra khỏi mỗi nồi

Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi t’i được xác định theo công thứ ti’ = Ti+1 + 𝛥′′′i [oC]Trong đó:

• 𝑇i+1: Nhiệt độ hơi đốt trong nồi thứ i+1

• 𝛥′′′i: Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống

• Chọn 𝛥′′′ 1 = 1,3 o C ; 𝛥′′′ 2 = 1,4 o C => Σ Δ' ' ' = 1,3 + 1,4 = 2,7 o C

𝑡′1 = 𝑇2 + 𝛥′′′1 = 111,84 + 1,3 = 113,14oC

𝑡′2 = 𝑇ng + 𝛥′′′2 = 59,7 + 1,4 = 61,1oC

Tra bảng [3-314,315], nội suy, ta có được áp suất, nhiệt lượng riêng, nhiệt hóa hơi của hơi thứ ra khỏi từng nồi:

i, i’: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt và hơi thứ

r, r’: Nhiệt hóa hơi của hơi đốt và hơi thứ

3.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi

Trong thiết bị cô đặc có xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ, tổng tổn thất nhiệt độ này là do nồng độ tăng cao Δ’,do áp suất thủy tĩnh tăng cao Δ’’,do trở lực đường ống Δ’’’

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

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

Công thức tính: tsi = ti’ +∆i ’ + ∆i”

∆i” = ttbi – ti’ [oC] Với:

ttbi: nhiệt độ sôi ứng với ptbi [at]

ti’: nhiệt độ sôi ứng với pi’[at]

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

• ρsi : khối lượng riêng của dung dịch tương ứng với nhiệt độ của dung dịch tại 20oC, (tra theo nồng độ) [3-38]

• p’i: 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 = 0,5m

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

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

Để thuận tiện cho tính toán ta chuyển ptbi sang đơn vị at Lúc đó công thức trên trở thành:

ptbi = p’i + [(h1 + H2).ρ s

2.9,81.10g 4] , (at)+ Nồi 1: Tra bảng [3-38], nội suy ta có:

x1 = 8,4%, ρs1 = 1069,43 kg/m3

→ ptb1 = p’1 + [(h1 + H2).ρ s 1

2 9,81.10g 4] = 1,63 + [(0,5 + 52).1069,432 9,81.109,81 4] = 1,79 atTra bảng [3-314], nội suy ta có:

3.7.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (Δ’)

Theo phương pháp Tysenco:

- Δ0i’: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi

của dung môi ở nồng độ nhất định và áp suất khí quyển

- r’: Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, [ J/kg]

+ Nồi 1: Tại x1 = 8,4%, tra bảng [4-61], nội suy ta có:

Δ’01 = 1,18oC , ttb1 = 116,06oC

→ Δ’1 = Δ’01.16,2 (T tb1 ' +273)2

r1' = 1,18.16,2.(116,06+273)2

2225,83 103 = 1,3oC+ Nồi 2: Tại x2 = 30%, tra bảng [4-61], nội suy ta có:

3.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

3.8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

3.9 Cân bằng nhiệt lượng

3.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng

Trong đó:

- D: lượng hơi đốt cho vào nồi 1 (kg/h)

- G: lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị (kg/h)

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

(J/kg.độ)

- i1 ,i2: hàm nhiệt của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 (J/kg)

- i’1 ,i’2: hàm nhiệt của hơi thứ vào nồi 1, nồi 2 (J/kg)

- Cnc1, Cnc2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ra khỏi nồi 1, nồi 2 (J/kg.độ)

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

- θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 (oC)

- Qm1, Qm2: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2 (J/h) ( bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn

để bốc hơi ở từng nồi)

- W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2 (kg/h)

Sơ đồ xây dựng trên nguyên tắc: Tổng nhiệt vào = tổng nhiệt ra

(Gđ – W1 – W2).C2.ts2

W2.i’2W1.i2

Gđ.Cđ.ts

D.i1

Chọn áp suất làm việc của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là Ps = 1,789

Nội suy [3-314], ta có nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất t’0 = 116,13oC

Các thông số của nước ngưng:

Nhiệt độ của nước ngưng: Tn1 = 142,9 oC, Tn2 = 111,84 oC Tra bảng [3-310], nội suy ta có: Cnc1 = 4278,71 (J/kg.độ) ; Cnc2 = 4232,19 (J/kg.độ)

3.9.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2

Nhiệt dung riêng của dung dịch loãng:

3.9.3 Tính toán lượng hơi thứ thoát ra và lượng hơi đốt cần thiết

Coi lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ở từng nồi, nghĩa là:

W2 = W – W1 = 10500 – 5213,68 = 5286,32 kg/h

Ta có sai số:

3.10 Tính toán hệ số cấp nhiệt và nhiệt trị riêng cho từng lưu thể

3.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi

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

Thay vào phương trình tính αi ta có:

α11 = 2,04.A1.( r1

∆ t11.H¿0,25 = 2,04 194,3195.(2141.105.1,543)0,25 = 9102,86 (W/m2.độ)

α12 = 2,04.A2.( r2

∆ t12.H ¿0,25 = 2,04 183,9895.(2229,14.105.1,51 3)0,25 = 8749,25 (W/m2.độ)Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

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

α2i = 45,3.p i0,5 ∆t2i 2,33 Ψi [W/m2độ]

a Tính hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt truyền nhiệt

∆tTi = q1i.Σr

Trong đó:

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

• Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt: ∑ 𝑟 = r1 + r2 + δ λ [m2độ/W]

- r1, r2: nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của thành ống

- δ : bề dày thành ống truyền nhiệt lấy δ = 2.10-3 m

r1 = 0,966.10-3 [m2độ/W] là nhiệt trở của cặn bẩn

r2 = 0,232.10-3 [m2độ/W] là nhiệt trở của chất tải nhiệt ( hơi nước)

λ: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (thép X18H10T)

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 [Ns/m2]

𝜌𝑛𝑐, 𝜌𝑛𝑐: Khối lượng riêng của nước và dung dịch

𝐶𝑛𝑐,𝐶𝑑𝑑: Nhiệt dung riêng của nước và dung dịch

Các thông số của nước:

• Tra bảng [3-311] và nội suy ta có:

Nồi 1: ts1 = 117,36 oC => μnc1 = 0,0002383 (Ns/m2)

Nồi 2: ts2 = 84,56 oC => μnc2 = 0,0003373 (Ns/m2)

Các thông số của dung dịch:

• Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch CaCl2 đã tính toán ở 2.9

Khối lượng phân tử CaCl2 : M = 111

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

M = MCaCl2.NCaCl2 + MH2O.NH2O = 111.NCaCl2 + 18(1-NCaCl2)

NCaCl2: phần mol của CaCl2 trong dung dịch

111+ 1−0,318

=0,0649 (phâ ́@ nmol )

MCaCl2(2) = 111.0,0649 + 18(1-0,0649) = 24,04 (kg/kmol)

t1,t2− ¿ Nhiệt độ mà tại đó chất lỏng A có độ nhớt tương ứng μ1, μ2

θ1,θ2− ¿ Nhiệt độ mà tại đó chất lỏng chuẩn có độ nhớt tương ứng μ1, μ2

+ Nồi 1: Chọn nước là chất lỏng tiêu chuẩn

Chọn độ nhớt của dung dịch CaCl2 ở 10°C và 20°C

Tra bảng trang [3 – 100] và nội suy ta có:

x1=8,4 %klg v `at1=10℃ → μ11=1,525 10 −3(Ns/m2)

x1=8,4 %klg vá@t2=20 ℃ →μ21 =1,215 10 −3(Ns /m2 )Tra bảng, [3 – 91] và nội suy ta có:

Tra bảng, [3 – 94] và nội suy ta có:

θ31=89,5 ℃ →μ dd 1=0,322 10 −3(Ns/m2 )+ Nồi 2: Chọn anilin là chất lỏng tiêu chuẩn

Chọn độ nhớt của dung dịch CaCl2 ở 10°C và 20°C

Tra bảng [3 – 100] và nội suy ta có:

x1=30 % klg v `at1=10℃ → μ12=4,4.10−3(Ns/m2)

x1=30% klg v `at2=20℃ →μ22 =3,6.10 −3(Ns /m2 )Tra bảng [3 – 91] và nội suy ta có:

Tra bảng [3 – 91] và nội suy ta có:

μ nc 10−3Ns/m2

C dd J/kg.độ

C nc, J/kg.độ

1 1069,43 945,41 19,36 0,56 0,69 0,32 0,2341 3834,38 4242,23

2 1281,6 968,93 24,04 0,54 0,68 1,37 0,3372 3141,01 4202,93Thay các số liệu vào công thức tính hệ số hiệu chỉnh ta có:

ψ1=(0,56 0,69)0,565

[ (1069,43 945,41 )2

(3834,38 4242,23) (0,2341.10 −3

0,32.10−3 ) ]0.435

=0,83

ψ2=(0,54 0,68)0,565

[ (1281,6 968,93)2

(3141,01 4202,93) (0,3372 10−3

1,37 10 −3 ) ]0.435

=0,54Thay vào công thức tính hệ số cấp nhiệt:

α21=45,3 P'10,5.∆ t212,33.ψ1 =45,3 1,63 0,5.5,492,33.0,83=2521,28(W /m2.độ)

q tbi− ¿ Nhiệt tải riêng trung bình của từng nồi, W /m2

∆ T i− ¿ Hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi tra bảng tổng hợp số liệu 2, ℃

Ta có:

q tb1=q11+q21

2 = 14018,41+13830,462 =13924,43(W

m2)

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ4.1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet

4.1.1 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ baromet:

• Lượng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2 = 5402,91 (𝑘𝑔/ )ℎ

• Áp suất ở thiết bị ngưng tụ là: Png = 0,2 at

• Các thông số vật lí của hơi thứ ra khỏi nồi thứ 2 :

P2’= 0,21 at ; t2’= 61,1oC ; i2’= 2610,1 (kJ/kg) ; r2’= 2354,6 (kJ/kg)4.1.2 Tính lượng nước làm lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ :

Gn = C i−C n .t c

n (t c −t đ) Wn (kg/h) [4-78]

Với :

• i: nhiệt lượng riêng của hơi nước ngưng ing = 2607 (kJ/kg) (tra [3-314])

• tđ, tc : nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh Chọn tđ = 28oC ; tc = 52oC

• Cn : nhiệt dung riêng trung bình của nước

4.1.5 Tổng điện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ:Tính theo công thức:

Thay vào ta được t = 0,866.2.0,030,5 + 2 = 2,3 (mm)

4.1.7 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ:

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

β= t c −t đ

t bh −t đ = 59,7−2852−28 = 0,76

Trong đó tbh là nhiệt độ hơi bão hòa ngưng tụ tbh = 59,7 oC

Quy chuẩn theo bảng [2-86] lấy β = 0,774

• Mức độ đun nóng: 0,774

• Đường kính của tia nước: 2 mm

Ta có chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ : H = 8.400 = 3200 (mm)

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 giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên

trên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn Khi đó chiều cao hữu ích của thiết bị

ngưng tụ là H’ Khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 400 mm, ta chọn khoảng

cách giữa hai ngăn dưới cùng là 500 mm

Trong đó W là tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống

baromet, thường lấy W= 0,5 – 0,6 m/s chọn w = 0,5 m/s thay vào công thức ta

• h1 : là chiều cao cột nước cân bằng với hiệu số áp suất của thiết bị ngưng tụ và khí

quyển tính theo công thức: h1 = 10,33.P ck

760 , mvới pck là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ Ta có:

pck = 760 – 735,6.png = 760 – 735,6.0,2 = 612,88 (mmHg)

=> h1 = 10,33.612,88760 = 8,33 (m)

• h2 là chiều cao cột nước trong ống baromet, để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy

trong ống, tính theo công thức:

h2 = 2g w2 (2,5 + λ.H d ), mvới λ là hệ số ma sát khi nước chảy trong ống tính theo công thức của Braziut:

Giải hệ phương trình ta tính được H = 8,868

Do chênh lệch giữa tính toán và thực tế nên ta chọn chiều cao ống H = 9,5m4.1.10 Tính lượng hơi và khí không ngưng

ph : là áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp lấy theo tkk , tra bảng [3-312] ta được ph = 0,0556 at

Thay số vào ta có: Vkk = 3600.9,81.10 288.57,38 4(.273+34,4(0,2−0,0556) ) = 0,1 (m3/s)

4.2 Tính toán bơm chân không:

Công suất của bơm tính theo công thức: Nb = 1000.η L = m−1 m .P K V kh

1000 η [(P2

P1¿¿

m−1

m -1]Trong đó:

Vật liệu: Nhựa cốt sợi thủy tinh 4.3 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

- Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị đun nóng loại ống chùm ngược chiềudùng hơi nước bão hòa ở 4,00 at, hơi nước đi ngoài ống từ trên xuống, hỗn hợp nguyênliệu đi trong ống từ dưới lên

Ở áp suất 4,00 (at) →t1=142,9 ℃ Tra bảng [3 – 314]

Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng (25℃¿ đi ra ở nhiệt độ sôi của hỗnhợp đầu (t s 0 =116,68℃¿

-Chọn loại ống thép X18H10T đường kính d = 38 ± 2 mm, L = 5m với khả năng chịumòn của dung dịch CaCl2.

4.3.1 Tính nhiệt lượng trao đổi

Q=F C p .(t F −t f),W

Trong đó:

F – Lưu lượng hỗn hợp đầu, F = 12600 (kg/h)

C p− ¿ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp, C p =C o= ¿ 3976,7 (J/kg độ)

t F− ¿ Nhiệt độ cuối của dung dịch, t F =t s 0 =116,68℃

t f− ¿ Nhiệt độ đầu của dung dịch, lấy bằng nhiệt độ môi trường, t f =25℃

-Thay số vào ta có nhiệt lượng trao đổi của dung dịch là:

r − ¿Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa, r = 2141000 (J/kg)

∆ t1− ¿ Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thànhống truyền nhiệt

H – Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 5m

Giả sử ∆ t1=4,0(℃)

Ta có:

t m=142,9− 42=140,9(℃)

Tra bảng [4 – 29] ta có: A = 194,135Thay số vào tính được:

Prt – Chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường

ε K− ¿ Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đườngkính d của ống

Chọn dtr = 34 (mm), chiều cao H = 5m, bề dày ống S = 2m

→ L d

tr= 50,034=147,06>50Tra bảng, [4 – 15] có: ε K=1

● Tính chuẩn số Pr

Chuẩn số Pr được xác định theo công thức, [2 – 12]:

111 + 1−0,05111

=0,05(phần mol)