đồ án môn học quá trình công nghệ thiết bị thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trng tâm

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ởdạng hơi, còn chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ củadung chất sẽ tăng dần lên, khác với

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

HÓA HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU

ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM

SVTH: Nguyễn Thị Nhài_0641120241

Lớp hóa 4-k6GVHD: Phan Thị Quyên

Hà Nội 2014

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 4

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 6

1.1 Tổng quan về cô đặc 6

1.1.1 Tính chất chung của CaCl 2 6

1.1.2 Ứng dụng của dung dịch CaCl 2 6

1.2 Tổng quan về cô đặc 9

1.2.1 Khái niệm 9

1.2.2 Các phương pháp cô đặc 10

1.2.3 Cấu tạo thiết bị cô đặc 12

1.2.4 Nhiệm vụ thiết kế 12

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 17

2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ hệ thống: 17

2.2 Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi: 17

2.3 Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi 17

2.4 Tính chênh lệch áp xuất chung của hệ thống 18

2.5 Xác định áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 18

2.6 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi: 19

2.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi: 20

2.7.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh tăng cao i ” 20

2.7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ  i : 22

2.7.3 Tổn thất do đường ống ∆ ’’’ 23

2.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống: 23

2.9 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt Di và lượng hơi thứ Wi ở từng nồi: 24

2.9.1 Hệ phương trình cân bằng nhiệt: 25

2.9.2 Tính toán các thông số: 26

2.10 Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi: 28

2.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt  khi ngưng tụ hơi 28

2.10.2 Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 30

2.10.3 Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi  2i 30

2.10.4 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : 37

2.10.5 So sánh q 2i và q 1i : 37

2.11 Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi 38

2.12 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 39

2.13 So sánh Ti', Ti tính được theo giả thiết phân phối áp suất 39

2.14 Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 40

PHẦN III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 41

3.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 41

3.1.1 Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 41

3.1.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 42

3.1.3 Bề mặt truyền nhiệt: 47

3.1.4 Số ống truyền nhiệt: 48

3.1.5 Đường kính trong của thiết bị đun nóng : 49

3.1.6 Tính vận tốc và chia ngăn 49

3.2 Thiết bị ngưng tụ baromet 51

3.2.1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet: 51

3.2.2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ baromet: 51

3.3 Bơm 59

3.1 Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: 59

Áp suất toàn phần do bơm tạo ra theo công thức II.185-[1-438]: 59

3.2 Năng suất trên trục bơm: 63

3.3 Công suất động cơ điện: 64

3.4 Chiều cao thùng cao vị: 64

3.4.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc: 64

3.4.2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 68

3.4.3 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 71

3.4.4 Chiều cao thùng cao vị: 74

PHẦN IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 76

4.1 Buồng đốt nồi cô đặc 76

4.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 76

4.1.2 Đường kính trong của ống đốt 77

4.1.3 Tính bề dày buồng đốt 78

4.1.4 Chiều dày lưới đỡ ống: 81

4.1.5 Chiều dày đáy phòng đốt : 82

4.1.6 Tra bích để lắp đáy vào thân : 84

4.2 Buồng bốc hơi 85

4.3 Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3, góc đáy 60o 90

PHẦN V TÍNH TOÁN MỘT SỐ CHI TIẾT KHÁC 92

5.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào ra thiết bị: 92

5.1.1 Ống dẫn hơi đốt nồi 1 : 92

5.1.2 Ống dẫn dung dịch vào : 92

5.1.3 Ống dẫn hơi thứ ra : 93

5.1.4 Ống dẫn dung dịch ra : 93

5.1.5 Ống tháo nước ngưng : 93

5.2 Tra bích đối với ống dẫn bên ngoài : 94

5.3 Tính và chọn tai treo giá đỡ : 95

5.3.1 Khối lượng đáy buồng đốt (m 1 ) : 96

5.3.2 Khối lượng thân buồng đốt (m 2 ) : 96

5.3.3 Khối lượng 2 lưới đỡ ống (m 3 ) : 97

5.3.4 Khối lượng của các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn (m 4 ):

97

5.3.5 Khối lượng thân buồng bốc (m 5 ) : 98

5.3.6 Khối lượng nắp buồng bốc (m 6 ) : 98

5.3.7 Khối lượng phần nón cụt nối 2 thân (m 7 ) : 99

5.3.8 Khối lượng 4 bích nối đáy với thân buồng đốt và thân phần nón cụt (m 8 ) : 99

5.3.9 Khối lượng 2 bích ghép lắp và thân buồng bốc ( m 9 ) : 100

5.3.10 Tổng khối lượng nồi không: 100

5.4 Chọn kính quan sát 100

5.5 Tính bề dày lớp cách nhiệt 101

PHẦN VI: KẾT LUẬN 102

PHẦN PHỤ LỤC 103

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Phan Thị Quyên

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Nhài

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

(Ký, họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Để trở thành một kỹ sư công nghệ hóa học, việc nắm vững các kiến thức

về môn học Quá Trình - Thiết Bị trong công nghệ hóa học là thực sự cần thiết Không chỉ vậy, việc giải các bài toán công nghệ, hay việc thiết kế máy móc, thiết

bị và dây chuyền công nghệ từ cách chọn nguyên liệu đến các quan hệ phụ thuộc giữa các kích thước của các chi tiết thiết bị với tính chất của vật liệu, các phép

tính toán công nghệ để kiểm tra độ bền các chi tiết và các phương pháp thiết kế…cũng rất cần đối với một kĩ sư trong tương lai.

Ngày nay sự phát triển của công nghiệp hóa chất và thực phẩm ngày càngmạnh Nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn làkhông thể thiếu Vì vậy truyền nhiệt ngày càng chứng tỏ là lĩnh vực đóng vai tròquan trọng, không thể thiếu trong hầu hết các quá trình hóa học, thực phẩm, sinhhọc, môi trường… Trong đó quá trình cô đặc và làm lạnh là hai quá trình có vaitrò đặc biệt quan trọng Ví dụ như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệphay cô đặc đường để tạo độ ngọt thích hợp Với tốc độ phát triển khoa học côngnghệ nhanh chóng như hiện nay, cô đặc càng tỏ ra là quá trình không thể thiếutrong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hóachất, công nghiệp dược phẩm… đều là những ngành sản xuất chiếm vị trí chủđạo trong nền kinh tế

Nắm bắt được những nhu cầu cần thiết trong quá trình chế biến hóa học,cũng như kiến thức của một số môn học khác có liên quan: Cơ lý thuyết, truyềnnhiệt, truyền khối Đề tài tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều ốngtuần hoàn trung tâm sẽ góp một phần nhỏ để giúp các sinh viên khối công nghệhóa học hình dung một các rõ ràng và chi tiết hơn về các thiết bị sử dụng trongcác lĩnh vực công nghệ hóa chất, thực phẩm và dầu khí Trong đồ án môn họcnày nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều,ống tuần hoàn trung tâm với dung dịch CaCl2, năng suất đầu 10800 (k/h), nồng

độ đầu vào là 7%, nồng độ sản phẩm là 24% Áp suất hơi đốt nồi 1 là 5 (at), ápsuất ngưng tụ là 0,2 (at)

Đây cũng là những bước đi đầu tiên để thực hiện một công việc hết sứcmới mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót Nhưng sự xem xét và đánh giá kháchquan của các thầy cô sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với chúng em, đểnhững lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn Em xin gửi lời

cảm ơn chân thành đến cô Th.s Phan Thị Quyên và các thầy cô khoa công nghệ

hóa học trường đại học công nghiệp Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn emtrong suốt quá trình thiết kế

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Tính chất chung của CaCl 2

Canxi clorua là hợp chất ion của canxi và clo có công thức hóa học CaCl2.khối lượng phân tử là 110,99, là chất có tinh thể mầu trắng, có tính hút ẩm mạnh

Nhiệt độ nóng chảy 772 – 782°C, nhiệt độ sôi > 1600°C , tỷ trọng 2152-2512 kg/

m3 Canxiclorua tan nhiều trong nước, dung dịch bão hòa sôi ở ở 180°C Trongcác dung dịch có nồng độ khác nhau thì nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc thay đổi

Canxi clorua có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đối với việc sản xuất sảnlượng lớn thì người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của công nghệ Solvay Do

nó có tính hút ẩm cao,người ta phải chứa muối này trong các dụng cụ đậy nắpkín.,

1.1.2 Ứng dụng của dung dịch CaCl 2

a) Trong công nghiệp.

Với đặc tính hút ẩm lớn của canxiclorua cho phép nó làm tác nhân sấy khí

và các chất lỏng Cụ thể, clorua canxi thường được cho vào các ống làm khô đểloại bỏ hơi ẩm trong không khí trong khi vẫn cho khí đi qua Nó cũng có thể chovào dung dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng Quá trình hấpthụ nước là sinh nhiệt và nhanh chóng tạo ra nhiệt độ tới khoảng 60°C Nhờ khảnăng này, nó được biết đến như là tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm

Canxi clorua được sử dụng trong phối trộn bê tông nhằm tăng nhanhquá trình ổn định ban đầu của bê tông, tuy nhiên ion clorua lại dẫn tới sự ănmòn của các thanh gia cố bằng thép, vì thế không nên sử dụng nó trong bêtông chịu lực

Trong ngành công nghiệp dệt nó là một trong những nguyên liệu thôphụ gia hỗ trơn được dùng làm chất hút ẩm, chống sương mù, chống bụi,chống cháy trong công nghiệp dệt cũng như làm chất pha loãng trong các loạithuốc làm mềm vải

Do lượng nhiệt tỏa ra lớn trong quá trình hòa tan của nó, clorua canxicũng được sử dụng như là hợp chất làm tan băng Khi được phân phối chomục đích này, nó thường được sản xuất dưới dạng các viên nhỏ màu trắng,đường kính vài milimét

Clorua canxi lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấptới -52°C cho phép chúng làm các chất tải lạnh trong các hệ thống lạnh.

Trong tái chế giấy nó được dùng nhằm tách thành phần mực in

Được dùng trong các bể bơi nhằm tránh ô nhiễm

Trong phụ gia thực phẩm: Nó được dùng trong sản xuất kem, là phụgia đông cứng, dùng trong sản phẩm đậu, bia, nước giải khát…

Là chất phụ gia cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng pooc-lănglàm tăng giá trị sản phẩm công nghiệp

Canxiclorua khan dùng cho điện phân sản xuất canxi kim loại và điềuchế các hợp kim của canxi

Do áp suất hơi thấp của các hydrat và các dung dịch nước Canxicloruanên được dùng để hạn chế bụi đường xá

Canxiclorua còn dùng để diệt cỏ trên đường sắt, chất keo tụ trong hóadược, dược phẩm và phụ gia trong hóa dẻo, được dùng rất nhiều trong côngviệc khoan dầu khí, hỗ trợ tiêu nước trong xử lý nước thải, chất bổ sung trongcác thiết bị dập lửa bình cứu hỏa, phụ gia trong kiểm soát quá trình tạo xỉtrong các lò cao…

b) Trong thực phẩm

Clorua canxi được sử dụng phổ biến như là chất điện giải và có vị cựcmặn, được tìm thấy trong các loại đồ uống dành cho những người tập luyệnthể thao và các dạng đồ uống khác, như Smartwater và nước đóng chai củaNestle Nó cũng có thể được sử dụng như là phụ gia bảo quản để duy trì độchắc trong rau quả đóng hộp hoặc ở hàm lượng cao hơn trong các loại rau,

dưa muối để tạo ra vị mặn trong khi không làm tăng hàm lượng natri của thựcphẩm.

Nó cũng có thể dùng để chế biến các đồ thay thế cho trứng cá muối từnước hoa quả hay bổ sung vào sữa đã chế biến để phục hồi sự cân bằng tựnhiên giữa canxi và protein trong các mục đích sản xuất phó mát, như cácdạng brie và stilton Tính chất tỏa nhiệt của clorua canxi được khai thác trongnhiều loại thực phẩm 'tự tỏa nhiệt' trong đó nó được hoạt hóa (trộn lẫn) vớinước để bắt đầu quá trình sinh nhiệt, cung cấp một loại nhiên liệu khô, không

nổ, dễ dàng kích hoạt

Trong ủ bia (đặc biệt là ale và bia đắng), clorua canxi đôi khi được sửdụng để điều chỉnh sự thiếu hụt chất khoáng trong nước ủ bia (canxi là đặcbiệt quan trọng cho chức năng của enzym trong quá trình ngâm, cho quá trìnhđông kết lại của protein trong hầm ủ và trao đổi chất của men bia) và bổ sung

độ cứng vĩnh cửu nhất định cho nước Các ion clorua gia tăng hương vị, tạocảm giác ngọt và hương vị đầy đủ hơn, trong khi các ion sulfat trong thạchcao, cũng được sử dụng để bổ sung ion canxi vào nước ủ bia, có xu hướngtạo ra hương vị khô và mát hơn, với độ đắng cao hơn

c) Trong sinh học và y tế

Canxi clorua có thể sử dụng cho: các vết đốt hay châm của côn trùng;các phản ứng mẫn cảm, cụ thể là khi có các đặc trưng như mày đay (phátban); ngộ độc magiê do dùng quá liều magie sunfat; như là chất bổ trợ trongkiểm soát các triệu chứng cấp tính trong ngộ độc chì; hồi tim mạch, cụ thể làsau phẫu thuật tim

Tiêm canxi clorua có thể trung hòa độc tính tim mạch trong tăng kalitrong máu khi đo bằng điện tâm đồ (ECG/EKG) Nó có thể hỗ trợ cơ tim đốivới các mức cao-nguy hiểm của kali đường huyết trong máu cao

Dạng lỏng trong dung dịch của canxi clorua được sử dụng trong biếnđổi gen của các tế bào bằng sự gia tăng độ thẩm thấu của màng tế bào, sinh ranăng lực cho việc lấy vào ADN (cho phép các mảnh ADN đi vào trong tế bào

dễ hơn)

Nó cũng có thể dùng trong các bể cá cảnh để bổ sung về mặt sinh họctrong dung dịch cho các sinh vật cần dùng nhiều canxi như tảo, ốc, san hô v.vmặc dù việc sử dụng canxi hydroxit hay lò phản ứng canxi là phương phápđược ưa chuộng hơn trong việc bổ sung canxi Tuy nhiên, clorua canxi làphương pháp nhanh nhất để tăng nồng độ canxi do nó hòa tan trong nước

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể,

- Thu được dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ởdạng hơi, còn chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ củadung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp nàycùng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ ở mỗi nhiệt độ

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không,

áp suất thường, áp suất dư), trong hệ thống 1 thiết bị cô đặc (1 nồi), hay trong hệthống nhiều thiết bị cô đặc (nhiều nồi) Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục.Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ, thường có

nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên thường làm hơi đốt cho các nồi cô đặc.Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài dây chuyền công nghệ cô đặc gọi là hơi phụ.

Cô đặc chân không được dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao vàdung dịch dễ bị phân hủy về nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơiđốt và nhiệt độ trung bình của dung dịch (gọi là hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫnđến giảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi củadung dịch thấp hơn có thể tận dụng nhiệt thừa của quá trình sản xuất khác (hoặc

sử dụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dungdịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụnghơi thứ cho cô đặc và các quá trình đun nóng khác

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị côđặc một nồi hoặc nhiều nồi Với cô đặc một nồi thường được ứng dụng khi năngsuất nhỏ và hơi thứ không dùng làm chất tải nhiệt để đun nóng nên không có giátrị kinh tế Còn cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó

nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt

Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: Trong nồi đầu, dung dịch được đunnóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được đưa vào nồi thứ 2 để làm hơi đốt,hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm hơi đốt cho nồi thứ 3… Hơi thứ ở nồi cuối đượcđưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến nồi cuối, quamỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốc hơi Hệthống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến

Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệchnhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi hay nói cách khác là phải có chênh lệch ápsuất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi Nghĩa là, áp suất làm việc trong cácnồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau Thông thường

thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối cùng làm việc ở áp suất chânkhông.

Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với cô đặcmột nồi, vì nếu ta giả thiết rằng cứ 1 kg hơi đưa vào đốt nóng thì làm bay hơiđược 1 kg hơi thứ Như vậy là cứ 1 kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơiđược số kg hơi thứ tương đương với số nồi có trong hệ thống cô đặc nhiều nồi.Hay nói cách khác là lượng hơi đốt làm bốc hơi 1 kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với sốnồi Ví dụ khi cô đặc hai nồi: 1 kg hơi đốt vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được 1 kghơi thứ trong nồi đầu: 1 kg hơi thứ này đưa sang nồi thứ hai cũng làm bay hơiđược 1 kg hơi thứ nữa Như vậy đối với hệ thống cô đặc hai nồi ta được 2 kg hơithứ Vậy lượng hơi đốt tính cho 1 kg hơi thứ là ½ = 0,5kg

Đối với quá trình cô đặc gián đoạn: Dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi

cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữmức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đạt yêu cầu sẽlấy ra một phần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc

Đối với quá trình cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hay nhiều nồi thìdung dịch và hơi đốt được cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục.Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kĩthuật Khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, còn khi làm việcở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có

ưu điểm là: Khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đóhiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặttruyền nhiệt

1.2.3 Cấu tạo thiết bị cô đặc.

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, các loại thiết bị cô đặc đunnóng bằng hơi nước phổ biến, loại này gồm 2 bộ phận chính:

- Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt)

- Bộ phận bốc hơi(phòng bốc hơi) là 1 phòng trống.

- Khi cấu tạo thiết bị cần chú ý những yêu cầu sau:

- Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa và lắp ghép, các chi tiết phảiquy chuẩn hóa, giá thành rẻ

- Đáp ứng yêu cầu kĩ thuật: chế độ làm việc ổn định ít bám cặn, dễ làmsạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra

- Cường độ truyền nhiệt lớn

- Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:

- Theo sự bố trí bề mặt truyền nhiệt: loại nằm ngang, loại thẳng đứng, loạinằm nghiêng…

- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi( hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt),bằng khói lò, bằng dòng điện, bằng các chất tải nhiệt đặc biệt( dầu,hydrocacbon)

- Theo tính chất tuần hoàn của dung dịch: tuần hoàn tự nhiên hay cưỡngbức

- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: loại vỏ bọc ngoài, ống chùm, ốngxoắn…

1.2.4 Nhiệm vụ thiết kế.

Trong đồ án này, yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc dung dịchCaCl2 hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm với yêu cầucông nghệ như sau:

+ Chiều cao ống chuyền nhiệt: 2m

+ Năng suất tính theo dung dịch đầu: 3 kg/s

+ Nồng độ đầu của dung dịch: 7% khối lượng

+ Nồng độ cuối của dung dịch: 24% khối lượng

+ Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at

+ Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,5at

a) Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

 Cấu tạo:

Thiết bị có dạng hình trụ gồm

hai phần chính Phần dưới của thiết

bị là phòng đốt (1), trong phòng đốt

có các ống truyền nhiệt (2) và một

ống tuần hoàn (3) có kích thước

tương đối lớn Phía trên thiết bị là

phòng bốc hơi có bộ phận tách bọt

 Nguyên lý hoạt động

Dung dịch được đưa vào đáy

của buồng bốc hơi chảy trong các

ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn

trung tâm, sảm phẩm tháo ra ở đáy

buồng đốt Hơi đốt đi vào phía trên của buồng đốt và đi vào khoảng không giangiữa các ống Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt được đun sôi tạothành hỗn hợp lỏng – hơi, khối lượng riêng của dung dịch giảm và bị đẩy từ dướilên trên Trong ống tuần hoàn trung tâm, thể tích dung dịch trên 1 đơn vị bề mặttruyền nhiệt lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống tuầnhoàn trung tâm ít hơn trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng–hơi ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, nên dung dịch bị đẩy từ trên xuống.Kết quả là trong thiết bị có sự chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trêntrong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn trung tâm Vận tốctuàn hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình

đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt cũng giảm Trong buồng bốc hơi, hơi thứ đượctách ra trên mặt thoáng của dung dịch đi lên bộ phận tách bọt những giọt chấtlỏng bị hơi thứ quấn theo sẽ bị giữ lại và trở lại buồng bốc hơi.

Vận tốc tuần hoàn của loại thiết bị này thường không quá 1,5 m/s vì trongquá trình cô đặc ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng Khi năng suất thiết bị lớn có thểthay ống tuần hoàn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn

b) Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục.

 Nguyên lý làm việc của hệ thống.

Dung dịch đầu chứa trong thùng (1) qua bơm (2) được bơm lên thùng cao

vị (3) Từ đây nó được điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu qua lưu lượng kế (4)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 rồi chuyển sang nồi cô đặc thứ nhất(6), thực hiện quá trình bốc hơi Dung dịch ra khỏi nồi 1 được đưa vào nồi thứhai (7) nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi Hơi đốt đi vào phòng đốt của nồi thứnhất để đung sôi dung dịch ở nồi 1, hơi thứ của nồi 1 đi vào phòng đốt của nồi 2.Hơi thứ của nồi 2 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (8) Trong thiết bị ngưng tự, hơi đi

từ dưới lên, nước làm lạnh chảy từ trên xuống chàn qua các tấm ngăn, một phầnchui qua các lỗ của tấm ngăn, nước là chất lỏng ngưng tụ chảy xuống ống

baromet Khí đi lên phía trên, vào thiết bị tách bọt, khí không ngưng được bơmhút chân không hút ra ngoài còn bọt được thu hồi lại và tập trung chảy xuống ốngbaromet Ống baromet có chiều cao khoảng 11m để khi độ chân không trongthiết bị tăng thì nước không dâng lên ngập thiết bị.

- Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiềuvới nhau từ nồi này sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóachất Loại này có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờchênh lệch áp suất giữa các nồi

- Quá trình làm việc ổn định, tạo được năng suất lớn

- Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau nên dung dịch đi vào mỗi nồi(trừ nồi 1) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi trong nồi đó, kết quả là dung dịch

sẽ được làm nguội đi và lượng nhiệt tỏa ra này sẽ làm bốc hơi thêm một lượngnước gọi là quá trình tự bốc hơi

- Dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch,nên cần phải đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi do đó tiêu tốn thêm một lượnghơi đốt

- Nhiệt độ của dung dịch ở nồi sau thấp hơn nồi trước nhưng nồng độ dungdịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh và giảm hiệu quảtruyền nhiệt

- Hệ thống thiết bị cồng kềnh

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Số liệu ban đầu: Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn trungtâm cô đặc dung dịch CaCl2 với:

Năng suất Gđ = 3,0 (kg/s) = 10800 (kg/h)

Chiều cao ống gia nhiệt: H = 2 (m)

Nồng độ đầu vào của dung dịch: xđ = 7%

Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 24%

Áp suất hơi đốt nồi 1: P1 = 5 (at)

Áp suất hơi ngưng tụ: Png = 0,2 (at)

2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ hệ thống:

Áp dụng công thức:W = Gd – Gc = Gd(1 d

c

x x

 ) (CT VI.1 - [2-55])

W = 10800.(1 0.07) 7650( / )

2.2 Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi:

W1 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1

W2 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2

Giả thiết tỉ lệ phân phối hơi thứ ở hai nồi như sau: W1 : W2= 1:1

Mà ta có: W1 + W2 = 7650 (kg/h)  W1=W2=3825 (kg/h)

2.3 Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi.

x1:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 1

x2:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 2

Áp dụng công thức :

1

d d i i

2.4 Tính chênh lệch áp xuất chung của hệ thống

Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:

Trong đó: P1 là áp xuất hơi đốt

Png là áp xuất hơi ngưng

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

- Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là: 1

2

P P



 = 2,5

1  ∆PP1 =2,5∆PP2

Mà P1 + P2 = 4,8 (at)   

 

1 2

3, 43 1,37

- Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi (bảng I.25-[1-314]):

 Nồi 1: với : P1 = 5 (at) ta được:

+ Nhiệt độ hơi đốt: t1 = 151,1˚C+ Nhiệt lượng riêng: i1 = 2754.103 (J/kg)

+ Nhiệt hoá hơi: r1 = 2117.103 (J/kg)

 Nồi 2: với P2=1,57 ta được:

+ Nhiệt độ hơi đốt: t2=112,1 ˚C+ Nhiệt lượng riêng: i2= 2701,5.103 (J/Kg)+ Nhiệt hoá hơi: r2=2228,5.103 (J/Kg)

 Png = 0,2 (at) ta được tng = 59,7˚C

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

Gọi: ti’: nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i

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

1 = 2703667(J/kg)+ Nhiệt hoá hơi: r’

1 = 2225889 (J/kg)

 Với: t2’ =60,7 (ºC) ta có:

+ Áp suất hơi thứ: P’ = 2,011 (at)

+ Nhiệt lượng riêng: i’

2 = 22608444(J/kg)+ Nhiệt hoá hơi: r’

2.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi:

2.7.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh tăng cao i ”

i” = tstbi – ti’ (độ)Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh ∆P’’ (tổnthất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao):

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc: (CT 60])

- Pi’: Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2)

- h1: Chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đếnmặt thoáng của dung dịch (m)

- H: Chiều cao ống truyền nhiệt (m)

- ρs: Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

- g: Gia tốc trọng trường (m/s2)

- tstbi: Nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất Ptbi ( 0C)

- ti’: Nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất Pi’ ( 0C)

3 1

3 2

dd dd

3 2

1091,176

545,588( / ) 2

1218, 22

609,11( / ) 2

114,572 113,1 1, 47268,834 60,7 8,134

stb stb

sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất Khi nồng độ của chất tan tăng thìnhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng.

-  ’ là tổn thất nhiệt độ của dung dịch so với dung môi nguyên chất, trong

cô đặc thường gọi đó là tổn thất nồng độ,  ’ là thông số vật lý của dung dịch, nóphụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ càng tăng thì  ’ càng tăng, nó còn phụthuộc vào bản chất chất tan và dung môi đồng thời  ’ phụ thuộc vào áp suất

- ’ được tính theo công thức dần gần đúng của Tensico:

’ 2

r



(CT VI.10-[2-59])Trong đó:

+ ’

o: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt

độ sôi của dung môi ở áp suất thường.

+ T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (°K)+ r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việcJ/kg

113,1 273 386,160,7 273 333,7

K T

K T

T

C r

T

C r

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

Nhiệt độ hữu ích của hệ thống

1

n

i i i

, 2 2

,, 1

, 1

, 1 1

t t

s

s

: , 2

1 s

t nhiệt độ hơi thứ của từng nồi

 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi:

s s

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

và lượng hơi thứ W i ở từng nồi:

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống:

Trong đó :

+ D: Lượng hơi đốt vào (kg/h)

+ i i1 2, : Hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2 (J/kg)

+ i i1', 2' : Hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2 (J/kg)

+  1 ,  2: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2

+ Co :Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg độ)

+ Cn1 , Cn2: 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)+ Qm1,Qm2: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2

+ Gd : lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị (kg/h)

+ W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2

 Nhiệt lượng vào

- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào: D.i1

Nhiệt do dung dịch mang vào: Gđ.Cđ.ts0

- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào: W1.i2

Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang: G1.C1.ts1= (Gd –

2.9.1 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

Các phương trình được thành lập dựa trên nguyên tắc:

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

Ta có: Phương trình cân bằng nhiệt cho từng nồi:

Thay (3) vào (2) ta tính được:

 Nhiệt dung riêng:

+ Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theocông thức sau: C = 4186,8.(1 - x) (J/kg.độ) ( CT I.43-[1-152])

x: nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%)Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x= 7%

Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không có nước) J/kg.độ Cht

được tính theo công thức: MCaCl2.Cht = Ci.Ni (CT I.41-[1-152])

M :khối lượng phân tử của chất tan

Ni :số nguyên tử trong phân tử

Ci: nhiệt dung riêng của các đơn chất (bảng I.141- [1-152])

CCa=CCl=26000(J/kg độ)

4315,08 /

51,1112,1

n n

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W1 : W2 = 1: 1 Sai

số giữa Lượng hơi thứ các nồi được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giảthiết trong cân bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn

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

2.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt  khi ngưng tụ hơi.

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ

giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt

nồi 1 và nồi 2 là : 11 ,  12

- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 2m, hơingưng bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấp nhiệt đượctính theo công thức

i

r A

t H

 W/m2 độ ( CT V.101/[2 – 28])Trong đó:

C C

2 11

+ Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

.

C C

+ C: nhiệt dung riêng, (J/kg.độ)

* Khối lượng riêng :

+ Khối lượng riêng của nước: tra bảng I.249-[1-311]

3 1

3 2

+ Khối lượng riêng của dung dịch CaCl2: tra bảng (I.22-[1-38]) Lấy

= 1/2 khối lượng riêng của dung dịch ở 20 oC

3 1

3 2

* Nhiệt dung riêng :

+ Nhiệt dung riêng của nước: tra bảng I.249-[1-310]

+ Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dịch CaCl2:

Theo công thức (I.32-[1-123]) ta có:

3

.

M C

dd dd dd





A: Hệ số tỉ lệ phụ thuộc hỗn hợp chất lỏng, đối với chất lỏng

không liên kết A = 3,58.10-8

M: Khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp của CaCl2

và H2O, (kg/mol)

M = a.MCaCl2 + (1- a) MH2O = 111a + 18(1 – a)

a: là nồng độ phần mol của CaCl2

Nồi 1: x1=10,84% khối lượng

2 2

 

1

545,588 3,58.10 3732, 2376.545,588.

609,11 3,58.10 3350, 0086.609,11.

μnc = 1,6287.10 -3(N.s/m2 ) → θμ1 = 2,82 °C

μnc = 1,312.10-3 (N.s/m2) → θμ2 = 9,89°C

10 20

1, 4142,82 9,89

μnc = 1,739.10 -3(N.s/m2 ) → θμ1 = 0,87 °C

μnc = 1,61.10-3 (N.s/m2) → θμ2 = 3,17°C

19 20

0, 4350,87 3,17

Vậy: độ nhớt của dung dịch CaCl2 tại nhiệt độ 73,812℃ sẽ bằng μnước tại nhiệt

độ 125,47℃ Dựa theo bảng I.102-[1-95] ta xác định được:

0,435 0,565 2

C C

2.10.4 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :

21 21

21   

q

 2571,6998.7,987 20540,1663  (W/m2)

22 22



 (N/m2.độ)Trong đó:

qtbi : nhiệt tải riêng trung bình của từng nồi (W/m2 )

i

T

 :Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi (oC) (xem bảng 2)

Ta có:

 2

11 21 1

1

2 2

2

20335, 2311

584,1946 34,809

T q K

Nồi 1: Q1 =

3600

. 1

1 r D

2315547,377

4195, 2084 551,9505

 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi :

i i

i i

Q K

Q K

2 2

Q K