Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài làm việc liên tục cô đặc dung dịch natri nitrat (nano3)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC o BỘ MÔN QT TB CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

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

-🙞🙞🙞🙞🙞 -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU BUỒNG ĐỐT NGOÀI LÀM VIỆC LIÊN TỤC CÔ ĐẶC

Mã số sinh viên : 20191186

5.2 Xác định nhiệt độ hơi đốt Ti, nhiệt lượng riêng ii và nhiệt hóa hơi ri của từng nồi

16

7.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆ ' ' 17

7.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (∆ ' ' '¿ 20

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

10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 25

10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α 2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 27

4.1.6 Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép 43

4.2.3 Chiều dày phòng bốc hơi 45

4.2.5 Tra bích để lắp và thân, số bulong cần thiết để lắp ghép 49

4.3.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào và ra 49

Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều,ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaNO3 , năng suất 12000 kg/h, nồng độdung dịch ban đầu 5%, nồng độ sản phẩm 20%.

Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế và nhiềumặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế Em rất mong nhận được sựđóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của thầy để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn TS Cao Thị Mai Duyên đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này!

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ

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

Họ và tên: Nguyễn Đình Vương MSSV: 20191186

Lớp: Kỹ Thuật Hóa Học 08 Khóa: 64

I Đầu đề thiết kế:

Tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục, dùng để cô đặc

dung dịch NaNO3, năng suất F= 11520 Kg/h, chiều cao ống truyền nhiệt: H = 6m

II Các số liệu ban đầu:

Nồng độ đầu của dung dịch: 8 % khối lượng;

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

Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 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 12 tháng 04 năm 2022

VII Ngày phải hoàn thành: ngày 22 tháng 07 năm 2022

Người hướng dẫn

+ Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.

+ Thu dung môi ở dạng nguyên chất

- Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi cònchất tan không bay hơi được giữ lại trong dung dịch, trong khi đó quá trình chưng cất thì

cả dung môi lẫn chất tan đều bay hơi

- Cô đặc được tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môitrên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị Quá tình có thể được tiến hànhtrong hệ thống một thiết bị cô đặc, hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc và có thể thựchiện gián đoạn hoặc liên tục Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là “hơi thứ” thường cónhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu

“hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”

- Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khác nhau (áp suất chân không, áp suấtthường hay áp suất dư) Khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết

bị hở; còn khi làm việc ở áp suất khác ta dùng thiết bị kín

▪ 1.2 Phân loại các thiết bị cô đặc

* Dựa vào chế độ tuần hoàn dung dịch:

Loại 1: Dung dịch tuần hoàn tự nhiên: dựa vào sự chênh lệch khối lượng riêng của dungdịch, dùng để cô đặc dung dịch lỏng có độ nhớt thấp VD:

+ Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

+ Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

+ Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài

⇨ Để tăng hiệu quả cô đặc và rút ngắn thời gian người ta sẽ dùng thêm bơm, ta cóloại 2 như sau:

Loại 2: Dung dịch tuần hoàn cưỡng bức: dùng thêm bơm để tăng vận tốc dung dịch lên1,5 – 3,5 m/s nhằm tăng hệ số cấp nhiệt, dùng cho dung dịch đặc, có độ nhớt cao, giảmbám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.

Nhóm 3: Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt thành màng mỏng từ dướilên trên, thời gian bay hơi nhanh giúp giảm khả năng biến chất sản phẩm, thích hợp chocác dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép… VD: Thiết bị cô đặc loạimàng

* Dựa vào áp suất trong thiết bị cô đặc:

- Cô đặc chân không dùng cho dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy

vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình củadung dịch dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dungdịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác (hoặc sử dụnghơi thứ) cho quá trình cô đặc

- Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bịphân hủy ở nhiệt độ cao và hơi thứ được sử dụng cho quá trình cô đặc và các quá trìnhđun nóng khác

- Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoàikhông khí Phương pháp này tuy đơn giản nhưng không kinh tế

Trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớnhơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

* Dựa vào bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng

* Dựa vào chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói

lò, bằng chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao,…), bằng dòng điện

* Dựa vào cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm…

▪ 1.3 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

- Là thiết bị cô đặc có 1 ống tuần hoàn đặt ở tâm thiết bị

- Muốn cho dung dịch tuần hoàn tốt thì nên cho dung dịch vào phòng đốt chiếm từ 0,4 –0,7 chiều cao ống Tốc độ đi trong ống tuần hoàn chọn khoảng 0,4 – 0,5 m/s Diện tíchthiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 20-35% tiết diện của ống truyền nhiệt

- Ưu điểm:

+ Cấu tạo đơn giản

+ Dễ dàng cọ rửa, sửa chữa

- Nhược điểm:

+ Tốc độ tuần hoàn bé

+ Hệ số truyền nhiệt thấp

- Phạm vi ứng dụng: Cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch nhiều váng cặn

o 2 Tổng quan về dung dịch NaNO3

▪ 2.1 Giới thiệu chung

- NaNO3 là một hợp chất hóa học có tên gọi là Natri Nitrat hay còn gọi là Muối diêm tiêuChile hay diêm tiêu Peru Đây là muối ion của ion natri Na + và ion nitrate NO3-

- Natri nitrat được dùng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như một chất nguyên liệu trongphân bón , nghề làm pháo hoa, bom khói, hóa chất thí nghiệm tinh khiết dùng làm chấtbảo quản, thuốc đẩy tên lửa, thủy tinh hay men gốm

- Tính chất vật lý:

+ NaNO3 là Chất rắn màu trắng, không màu có vị ngọt và tan trong nước

+ Khối lượng mol: 84,9947 g/mol

+ Khối lượng riêng: 2,257 g/cm3 (16 °C)

+ Điểm nóng chảy: 308 °C; Phân hủy ở 380 °C

+ Tan nhiều trong nước (730 g/L (0 °C))

+ Độ hòa tan: tan rất tốt trong amoniac; tan tốt trong cồn

+ Chiết suất (nD): 1,587 ( dạng tam giác )

- Tính chất hóa học:

+ NaNO3 có tính Oxy hóa khử khi cho kẽm tác dụng với NaNO3 trong dung dịchNaOH:

NaNO3 + 7NaOH + 4Zn → 2H2O + NH3 + 4 Na2ZnO2

+ NaNO3 với phản ứng trao đổi khi đun hỗn hợp natri nitrat (NaNO3) với axitsunfuric (H2SO4) đặc Hơi HNO3 thoát ra được dẫn vào bình làm lạnh và ngưng tụ

H2SO4 + NaNO3 → HNO3 + NaHSO4

+ NaNO3 với phương trình hóa học hữu cơ khi Cu tác dụng với H2SO4/NaNO3:

3Cu + 4H2SO4 + 2NaNO3 → 4H2O + Na2SO4 + 2NO + 3CuSO4

NH4NO3 + NaHCO3 → NaNO3 + NH4HCO3

- Hòa tan NaNO3 và KCl với lượng như nhau vào nước NaCl kết tinh ở 30oC, tách đượctinh thể ra khỏi dung dịch, sau đó làm nguội đến 22oC thì KNO3 kết tinh

● Sản xuất kính:

- Để tăng năng suất kính cường lực cao và không bị vỡ ngay cả khi tiếp xúc vớinhiệt độ cao hoặc thấp ở một mức độ nhất định, nhiều người sử dụng natrinitrat để tăng cường bề mặt của kính Và công dụng của nó được ứng dụng vàobước đầu tiên là ngâm kính trong dung dịch natri nitrat hòa tan Kính trải quagiai đoạn ngâm natri nitrat có khả năng chống co giãn và chống con uốn cũngtốt hơn

● Phân bón:

- Natri nitrat có khả năng giúp cây trồng phát triển nhanh hơn Vì vậy phân bón

sử dụng natri nitrat làm thành phần Hợp chất này chứa vừa đủ lượng nitơ đểxúc tác cho sự phát triển của cây

● Dược phẩm :

- Hóa chất nitri nitrat hạn chế sử dụng trong dược phẩm Nhưng có thể tìm đượchợp chất này trong thuốc nhỏ mặt Thông thường natri nitrat được sử dụng nhưmột hỗn hợp giúp kiểm soát không phải thành phần chính Điều này là do ni tơ

là nguyên tố cần thiết trong thuốc nhỏ mặt

● Thuốc nổ :

- Natri nitrat là một thành phần cung cấp nhiên liệu cho tên lửa Hóa chât nàyđược sử dụng để thay thế kali nitrat trong động cơ đẩy tên lửa Bởi vì hóa chấtnày có giá thành khá rẻ không độc hại và ổn định hơn Nhưng natri nitrat cũng

có nhược điểm là tốc độ cháy chậm so với kali nitrat

- PHẦN 2: SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

o 2.1: Sơ đồ công nghệ

o 2.2: Nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị

*Thuyết minh sơ đồ:

Hỗn hợp đầu (Dung dịch NaNO3 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 luônphải 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) Nước ngưng trong quá trình gia nhiệt sẽ được hệ thống cốctháo nước ngưng (11) đưa ra ngoài và vào bể chứa (14)

Hỗn hợp sau khi được gia nhiệt sẽ được đưa đến thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trungtâm (6) Tại đây hỗn hợp sẽ được tuần hoàn theo 1 vành tuần hoàn giữa không gian củaống trung tâm và phần giới hạn của vỏ thiết bị với buồng đốt Hơi đốt được đưa vào trongbuồng đốt để tiếp tục đun sôi hỗn hợp Nước ngưng trong buồng đốt được tháo ra ngoài ở

hệ thống tháo nước ngưng (12) Hơi bốc lên ở nồi cô đặc (6) sẽ là hơi đốt của nồi cô đặc

phía sau (7), đồng thời dung dịch sau cô đặc ở nồi (6) sẽ tiếp tục được đưa sang nồi (7).Nước ngưng ở nồi cô đặc (7) được tháo ở hệ thống (13), dung dịch cô đặc đạt đến nồng

độ yêu cầu sẽ được đưa qua bơm (16) để đưa vào bể chứa sản phẩm (15)

Hơi thứ của nồi cô đặc (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (8), sau đó đượctiếp tục đưa vào xyclon tách bụi (9) rồi hút ra ngoài theo bơm (17)

- PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ = 3,5 kg/s =11520 kg/h

- Nồng độ đầu của dung dịch: xđ = 8% khối lượng

- Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 25% khối lượng

- Hơi đốt: hơi nước bão hòa

- Áp suất hơi đốt nồi 1: P1 = 5 at

- Áp suất hơi ngưng tụ: Png = 0,2 at

- Chiều dài ống truyền nhiệt: 6 m

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

Áp dụng công thức VI.1 [2 – 55]:

W =G đ(1−x x đ

c)=11520(1− 825)=7833,6(kg/h)

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

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: W1, kg/h

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: W2, kg/h

Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở các nồi W1 : W2 = 1 : 1,04

Ta có hệ:

{W1+W2=W =7833,61,04 W1−W2=0→{W1=3841,2(kg/h)W2=3992.4(kg/h)

3 Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi

Theo công thức VI.2 [2 – 57]:

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

Chênh lệch 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 P ng

Ta có công thức:

∆ P=P1−P ng

→∆ P=5−0,2=4,8at

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

-Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là ∆ P1:∆ P2=2,3:1

Trong đó:

∆ P1− ¿ Chênh lệch áp suất trong nồi thứ 1, at

∆ P2− ¿ Chênh lệch áp suất trong nồi thứ 2, at

5.2 Xác định nhiệt độ hơi đốt T i, nhiệt lượng riêng i i và nhiệt hóa hơi r i của từng nồi

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

● Nồi 1: P1=5(at) ta được:

- Nhiệt độ hơi đốt: T1 = 151,1 (oC)

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

- Nhiệt hóa hơi: r1 = 2117000 (J/kg)

● Nồi 2: P2 = 1,65 (at) ta được:

- Nhiệt độ hơi đốt: T2 = 113,6 (oC)

- Nhiệt lượng riêng: i2 = 2704500 (J/kg)

- Nhiệt hóa hơi: r2 = 2224500 (J/kg)

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

Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi được xác định theo công thức:

Trong đó: T ng− ¿ Nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị ngưng tụ

Với P ng =0,20(at) ta được T ng=59,7 (oC)

● t2' =T ng +∆2' ''=59,7 +1=60,7(oC)

Tra bảng I.250 [1 – 314] và nội suy ta có:

● Nồi 1: t1' =114,6(℃) ta được

- Áp suất hơi thứ: P1' =1,703(at)

- Nhiệt lượng riêng: i1' =2703360(J /kg)

- Nhiệt hóa hơi: r1' =2222040(J /kg)

● Nồi 1: t1' =60.7(℃) ta được

- Áp suất hơi thứ: P2' =0,2104 (at )

- Nhiệt lượng riêng: i2' =2609590(J /kg)

- Nhiệt hóa hơi: r2' =2355260(J /kg)

BẢNG TỔNG HỢP SỐ LIỆU 1:

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

7.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆ ''

Theo công thức:

∆ i '' =t tbi −t i ' ,℃

Trong đó:

t tbi− ¿ Nhiệt độ sôi ứng với P tbi, at

t i '− ¿ Nhiệt độ sôi ứng với P i ', atTổn thất này do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn nhiệt độ sôi củadung dịch trên mặt thoáng Thường tính toán ở khoảng giữa ống truyền nhiệt Áp dụngcông thức VI.12, [2 – 60]:

P tbi =P i '+(h1+ H

2)∙ ρ si g

9,81 10 4,at

Trong đó:

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, m

ρ si− ¿Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

ρ dd− ¿ Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

Tra bảng I.251 [1 – 314] với P tb 2=0,4353(at)→t tb 2 =77,3(℃)

● →∆2' ' =t tb2 −t2' =77,3−60,7=16,6(℃)

Tổng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao là:

∑❑❑ ❑∆ '' =∆1' ' +∆2' ' =3,4+16,6=20(℃)

7.2 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 ápsuất của chúng ∆ ' ở áp suất bất kỳ được xác định theo phương pháp TysencoVI.10, [2 – 59]:

T i '− ¿ Nhiệt độ sôi của của dung môi nguyên chất, ℃

f −¿ Hệ số hiệu chỉnh

r i '− ¿ Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg

∆ i '− ¿ Tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất bất kỳ (oC)

∆ oi ' − ¿ Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôicủa dung môi ở áp suất khí quyển (oC)

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

7.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (∆ '' '¿

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 ápsuất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã chọn: ∆1'' '=1 (oC) và ∆2'' '=1 (oC)

Tổng tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống là:

∑❑❑ ❑∆ '' ' =∆1'' ' +∆2' ' ' =1+1=2(℃)

7.4 Tính nhiệt độ tổn thất của hệ thống

∑❑❑ ❑∆=∑❑❑ ❑∆ '+∑❑❑ ❑∆ ' '+∑❑❑ ❑∆ '' ' =3,74+20+2=25,74 (℃)

8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

● Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc

Áp dụng công thức VI.17 và VI.18, [2 – 67]:

T1− ¿ Nhiệt độ hơi đốt ở nồi 1, ℃

T ng− ¿ Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ, ℃

∑

i=1

n

❑∆T i− ¿ Tổng tổn thất nhiệt độ của n nồi, ℃

Tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi cô đặc là:

Trong đó:

G đ− ¿ Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị (kg/h)

D – Lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất (kg/h)

W1,W2− ¿ Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2 (kg/h)

i1,i2− ¿ Hàm nhiệt của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 (J/kg)

i1' ,i2'− ¿ Hàm nhiệt của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2 (J/kg)

θ1,θ2− ¿ Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 (oC)

C đ− ¿ Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg.độ)

C nc1 ,C nc2− ¿ Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 (J/kg.độ)

C1,C2− ¿ Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2 (J/kg.độ)

Q m1 ,Q m2− ¿ Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2 (J/h)

t so ,t s1 ,t s 2− ¿ Nhiệt độ sôi của dung dịch vào nồi 1, ở nồi 1, ở nồi 2 (oC)

9.2 Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng

9.2.1 Các thông số của dung dịch

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau:

Trong đó: C ht− ¿ Nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan

M−¿ Khối lượng phân tử của chất tan

C i− ¿ Nhiệt dung riêng của các đơn chất

N i− ¿Số nguyên tử trong phân tử

● Nhiệt độ nước ngưng

θ1=T1=151,1(℃)

θ2=T2=113,6 (℃)

● Nhiệt dung riêng của nước ngưng

Tra bảng I.249, [1 – 310] và nội suy, ta được:

C nc1 =4248,47(J/kg độ)

C nc2 =4194,984(J /kg.độ)

9.2.3 Giải hệ phương trình

● Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi dựa trên nguyên tắc:

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

- Nồi 1:

D i1+G đ C o t so =W1.i1'+(G đ −W1).C1.t s1 +D C nc1 θ1+Q m1

- Nồi 2:

W1.θ2 +(G đ −W1).C1.t s1 =W2.i2'+(G đ −W1−W2).C2.t s 2 +W1.C nc2 θ2+Q m2

● Nhiệt mất mát ra ngoài môi trường của 2 nồi:

Nhiệt mất mát này thường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ở từng nồi

→{W1=3830,57 (kg/h)W2=4003,03(kg/h)D=4296,36 (kg/h)

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

W1:W2=1:1,045

Kiểm tra sai số giữa W giả6 thiếtvà W ti ̉8nh toán ở mỗi nồi:

Vơ ̉8 inô ̉<i 1: ε1=|3840−3830,57|

1 3792,39 4315,08 151,1 3840 3830,57 0,25

2 3373,56 4246,6 113,6 3993,6 4003,3 0,24

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

10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi hơi ngưng tụ

Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và nồi 2

là ∆ t11va ̉<∆ t12

Với điều kiện làm việc của phòng đốt trung tâm H = 5m, hơi ngưng tụ bên ngoàiống, máng nước ngưng chảy dòng thì hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức V.101, [2-28]:

α 1i− ¿ Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i, W /m2.độ

∆ t 1 i− ¿ Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc vớihơi ngưng của nồi i, oC

A – Hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng

r i− ¿ Ẩn nhiệt ngưng tụ tra theo bảng số liệu 1Giả thiết ∆ t11=4,19 ℃ vả<∆ t12=4,08 ℃

Với t m được tính theo công thức:

10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi

Dung dịch khi sôi ở chế độ sủi bọt, có đối lưu tự nhiên hệ số cấp nhiệt xác địnhtheo công thức [3 – 332]:

- Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

r1=0,000387(m2.đổB /W): Nhiệt trơ ̉6cặnbẩn phíadung dịch

r2=0,000232(m2.đô ̉B/W ): Nhiệt trơ ̉6 cặn bẩn phía hơi bãohòa

Thay số vào công thức ta có:

μ−¿ Độ nhớt, Ns/m2

● Khối lượng riêng

- Dung dịch NaNO3 tra bảng I.21, [1 – 33]

Vơ ̉8 i x1=12%klg vả<t s 1 =119,1℃ → ρ dd 1 =1061,6 (kg/m3 )

Vơ ̉8 i x2=25%klg vả<t s 2 =79,98 ℃ → ρ dd 2 =1143,9(kg/m3 )

- Nước tra bảng I.5, [1 – 11]

ρ nc 1 =943,72(kg/m3 )

ρ nc 2 =971,812(kg/m3 )

● Nhiệt dung riêng

- Dung dịch NaNO3 tra bảng tổng hợp số liệu 3

M – Khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, kg/mol

M=a M NaNO 3+(1−a) MH2O =85 a+18(1−a)

85 + 1−0,1218

=0,0281( phâ ̉<nmol)

→ M1=85a1+18(1−a1)=85.0,0281+18(1−0,0281)=19,88(kg/kmol)

+ Nồi 2: x2=25% khổ8 ilượng

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

Chọn nước là chất lỏng tiêu chuẩn với t1=30℃ vả<t2=40℃

Tại t s1 =119,1 ℃ dung dịch có độ nhớt là μ dd 1 tương ứng với nhiệt độ θ31 củanước có cùng độ nhớt nên ta có:

C nc, J/kg.độ

[ (1061,6 943,72)2

(3683,68 4248,47) (0,239.10 −3

0,314.10 −3) ]0.435

=0,8045

ψ2=( 0,508 0,6861)0,565

[ ( 1143,9 971,812)2

( 3341,85 4194,984) (0,3551.10 −3

Sai số < 5%, vậy ta chấp nhận giả thiết ∆ t11=4,19 ℃ vả<∆ t12=4,08 ℃.

BẢNG TỔNG HỢP SỐ LIỆU 6

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, ℃

Sai số < 5%, vậy nên chấp nhận giả thiết phân bố áp suất ∆ P1:∆ P2=2,3:1

BẢNG TỔNG HỢP SỐ LIỆU 7

o 4.1 Tính buồng đốt nồi cô đặc

▪ 4.1.1 Xác định số ống trong buồng đốt

n = π d F

tr H (ống)Trong đó:

- F: tổng bề mặt truyền nhiệt tính, F = 89,25 m2

- Ống truyền nhiệt có kích thước 44 x 2 mm

- dtr : đường kính của ống truyền nhiệt, do α1 > α2: dtr = 44 – 2.2 = 40 (mm)

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

Tổng số ốngkhông kể cácống tronghình viênphân

Số ống trên hình viênphân

Tổng ốngtrong tất

cả cáchình viênphân

Tổng sốống củathiết bịDãy 1 Dãy 2 Dãy 3

- b: Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh

- d: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m)

▪ 4.1.3 Xác định bề dày buồng 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 hoặcchứa ở áp suất cao hoặc sản xuất và chứa các chất cháy nổ, độc ở áp suất thường( loại II).Thân hình trụ hàn, kiểu hàn giáp nối 2 bên, hàn tay bằng hồ quang điện.+Vật liệu chế tạo thép không gỉ: OX18H10T

*Công thức tính chiều dày phòng đốt là:

S = D t P b

2.[σ].φ−P b + C (m) CT XIII8- [4-360]

Trong đó:

- Dtr: đường kính trong của phòng đốt (m)

- Pb: áp suất trong của thiết bị (N/m2)

- φ: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc Theo bảng XIII.8 [4-362] nếuhàn tay bằng hồ quang điện với Dtr≥ 700 (mm), thép không gỉ φ = 0,95

C = C1 + C2 + C3 [m]

Trong đó:

- C1: bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường

và thời gian làm việc của thiết bị [m] Đối với vật liệu bền (0,05 ÷ 0,1 mm/năm)

ta lấy C1 = 1 (mm)

- C2: đại lượng bổ sung do hao mòn, chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu

có chứa các hạt rắn chuyến động với tốc độ lớn ở trong thiết bị Chọn C2 = 0(mm)

- C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm vật liệu, phụ thuộc vàochiều dài của tấm vật liệu

Trong đó:

- nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo, giới hạn bền chảy Tra bảng XIII.3 356] với thép không gỉ cán, rèn dập ta xác định được nc = 1,5 và nk = 2,6

[2 [σ k], [σ c]: ứng suất cho phép của thép theo giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy

- σ k: giới hạn bền kéo Tra bảng XII.4 [2-309] với thép không gỉ OX18H10T dày

*Xác định áp suất làm việc (áp suất trong thiết bị):

Môi trường là hỗn hợp hơi bão hòa – nước ngưng nên áp suất làm việc bằng ápsuất hơi (khí):

Pb = Pmt

Trong đó:

Pmt: áp suất hơi trong thiết bị = 5,0 at = 5.9,81.104 = 490500 (N/m2)

Vậy Pb = 490500 (N/m2)

Vậy chiều dày là:

S = D t P b

2.[σ].φ−P + C = 2.1,32.100,9.4905008 0,95−490500 + 1,0.10-3 + C3 = 2,76.10-3 + C3 =(2,76+C3).10-3 (m)

Tra bảng XIII.9 [2 – 364], chọn C3 = 0,18.10-3 (m)

🡪 S = 2,76.10-3 + 0,18.10-3 = 2,94.10-3 (m)

Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [4 – 364] lấy S = 3 mm

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

Trong tất cả mọi trường hợp sau khi đã xác định được chiều dày thiết bị, ta cầnkiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức XIII.26 [2-365]

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 kiểuhàn, làm việc ở điều kiện áp suất từ 0,07 đến 0,5.106 N/m2 ta có:

- Pth = 1,5 Phđ= 1,5.5.9,81.104 = 735750 (N/m2)

- Pl = ρgH, N/m2

Trong đó:

- ρ : Khối lượng riêng của nước ở 20oC, ρ = 998,2 kg/m3

- H: Chiều cao của cột chất lỏng, lấy H= 6 (m)

4.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống