Đồ án hóa công cô đặc phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm NH4NO3

Lời mở đầu Sau khi hoàn thành các học phần của bộ môn “ Các quá trình thiết bị và công nghệ hóa học” , chúng em có cơ hội được ứng dụng các kiến thức đã học vào việc thiết kế Đồ án môn học. Việc này giúp cho sinh viên ngành công nghệ hóa chúng em hiểu sâu hơn và có khả năng vận hành được các máy móc trong công nghiệp sản xuất có liên quan. Quá trình và thiết bị được trình bày trong cuốn đồ án này là quá trình và thiết bị cô đặc. Cô đặc là quá trình được thực hiện nhiều trong sản xuất hoá chất và thực phẩm nhằm tăng nồng độ của sản phẩm bằng cách lấy bớt dung môi ra. Trong cuốn đồ án này em được giao đề tài là “ Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch NH4NO3 với năng suất 8500kgh. Chiều cao ống gia nhiệt H=2m. Các số liệu ban đầu: • Nồng độ đầu của dung dịch : 13% • Nồng độ cuối của dung dịch : 36% • Áp suất hơi nồi 1 : 4 at • Áp suất hơi nồi 2 : 0,2 at. Phần I. Giới thiệu chung 1.1 Tổng quan về muối amoni nitrat NH¬4NO¬3 . Amoni nitrat là một hợp chất hoá học , là nitrat của amoniăc với công thức hoá học NH4NO3¬ , là một chất bột màu trắng tại nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn. Chất này thường được dùng trong nông nghiệp làm phân bón và cũng được sử dụng làm chất ôxi hoá trong thuốc nổ. Cấu tạo của amoni nitrat : Tổng quát Tên gọi Muối amôni nitrat CTHH NH4NO3 KLPT 80.04336 gmol Màu sắc Rắn trắng Tính chất Tỷ trọng 1.73 gcm³, Độ hoà tan trong nước 119g100ml (00C ) 190g100ml (200C ) 286g100ml ( 400C ) 421g100ml (600C ) 630g100ml ( 800C ) 1024g100ml ( 1000C ) Điểm nóng chảy 1690C

Lời mở đầu

Sau khi hoàn thành các học phần của bộ môn “ Các quá trình thiết bị và côngnghệ hóa học” , chúng em có cơ hội được ứng dụng các kiến thức đã học vào việc thiết kế Đồ án môn học Việc này giúp cho sinh viên ngành công nghệ hóa chúng

em hiểu sâu hơn và có khả năng vận hành được các máy móc trong công nghiệp sản xuất có liên quan

Quá trình và thiết bị được trình bày trong cuốn đồ án này là quá trình và thiết

bị cô đặc Cô đặc là quá trình được thực hiện nhiều trong sản xuất hoá chất và thực phẩm nhằm tăng nồng độ của sản phẩm bằng cách lấy bớt dung môi ra Trong cuốn

đồ án này em được giao đề tài là “ Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết

bị cô đặc phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch NH4NO3

với năng suất 8500kg/h Chiều cao ống gia nhiệt H=2m

Các số liệu ban đầu:

 Nồng độ đầu của dung dịch : 13%

 Nồng độ cuối của dung dịch : 36%

 Áp suất hơi nồi 1 : 4 at

 Áp suất hơi nồi 2 : 0,2 at

Phần I Giới thiệu chung

1.1 Tổng quan về muối amoni nitrat NH 4 NO 3

Amoni nitrat là một hợp chất hoá học , là nitrat của amoniăc với công thức hoá học

NH4NO3 , là một chất bột màu trắng tại nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn Chấtnày thường được dùng trong nông nghiệp làm phân bón và cũng được sử dụng làmchất ôxi hoá trong thuốc nổ

Cấu tạo của amoni nitrat :

được sử dụng trong các bom tức thì, ví dụ như IRA lâm thời và vụ đánh bom Thànhphố Oklahoma.

Amôni nitrat được sử dụng trong các thuốc nổ quân sự như bom daisy cutter và làmột thành phần của amatol Các hỗn hợp sử dụng trong quân sự thường pha 

20% bột nhôm nữa để tăng sức nổ Một ví dụ của trường hợp này là Ammonal : cóchứa amôni nitrat , trinitrotoluene và nhôm

1.1.2 Ứng dụng làm phân bón trong nông nghiệp

Phân amôn nitrat có chứa 33 – 35% Nitơ nguyên chất Ở các nước trên thế giới loạiphân này chiếm 11% tổng số phân đạm được sản xuất hàng năm Phân này ở dướidạng tinh thể muối kết tinh có màu vàng xám Amôn nitrat dễ chảy nước, dễ tantrong nước, dễ vón cục, khó bảo quản và khó sử dụng Là loại phân sinh lý chua.Tuy vậy, đây là loại phân bón quý vì có chứa cả NH4+ và cả NO3-, phân này cóthể bón cho nhiều loại cây trồng trên nhiều loại đất khác nhau Amôn nitrat bónthích hợp cho nhiều loại cây trồng cạn như thuốc lá, bông, mía, ngô… Phân nàyđược dùng để pha thành dung dịch dinh dưỡng để tưới cây trong nhà kính và tướibón thúc cho nhiều loại rau, cây ăn quả

1.1.3 Các ứng dụng khác

Amôni nitrat được sử dụng trong các túi lạnh nhanh (instant cold pack) Trong ứngdụng này amoni nitrat được trộn với nước trong một phản ứng thu nhiệt, với nhiệtlượng 26,2 KJ/mol Các sản phẩm của các phản ứng amoni nitrat được ứng dụngtrong các túi khí Chất azit natri NaN3 là hoá chất được sử dụng trong các túi khí và

nó phân huỷ tạo ra Na và N2

Amoni nitrat được ứng dụng trong việc xử lý các quặng titanium Amnoi nitratđược sử dụng trong việc điều chế chất N2O

NH4NO3 (aq)  N2O + 2H2OAmoni nitrat có thể được sử dụng để điều chế amoniăc khan , một hoá chất thườngđược sử dụng trong việc sản xuất methamphetamine

1.2 Sơ lược về quá trình cô đặc.

Quá trình cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng việc đun sôi Đặc điểmcủa quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hoà tanđược giữ lại trong dung dịch, do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên Khi bayhơi, nhiệt độ của dung dịch sẽ thấp hơn nhiệt độ sôi, áp suất hơi của dung môi trênmặt dung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ở khoảng trống trên mặt thoángdung dịch nhưng nhỏ hơn áp suất chung.Trạng thái bay hơi có thể xảy ra ở cácnhiệt độ khác nhau và nhiệt độ càng tăng thì tốc độ bay hơi càng lớn, còn sự bốchơi (ở trạng thái sôi) diễn ra ngay cả trong lòng dung dịch( tạo thành bọt) khi ápsuất hơi của dung môi bằng áp suất chung trên mặt thoáng , trạng thái sôi chỉ có ởnhiệt độ xác định ứng với áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho

Trong quá trình cô đặc, nồng độ của dung dịch tăng lên, do đó mà một số tính chấtcủa dung dịch cũng sẽ thay đổi Điều này có ảnh hưởng đến quá trình tính toán, cấutạo vá vận hành của thiết bị cô đặc Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt , nhiệt dungriêng C, hệ số cấp nhiệt  của dung dịch sẽ giảm Ngược lại, khối lượng riêng , độnhớt , tổn thất do nồng độ ’ sẽ tăng Đồng thời khi tăng nồng độ sẽ tăng điều kiệntạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt, những tính chất đó sẽ làm giảm bề mặttruyền nhiệt của thiết bị

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt

độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóngcho một thiết bị ngoài hệ thống thì ta gọi đó là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làmviệc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở các áp suấtkhác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùngthiết bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không

vì có ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt ( khi áp suất giảm thì nhiệt

độ sôi của dung dịch giảm dẩn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịchtăng).

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩakinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tómtắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồinày đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuốicùng đi vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, quamỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyềnnhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, haynói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là

áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt củanồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở ápsuất thấp hơn áp suất khí quyển

Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiềuđược sử dụng nhiều hơn cả

Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sựchênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đódung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả

là dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nướclàm quá trình tự bốc hơi

Nhược điểm: nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần nhưng nồng độ của dungdịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyềnnhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn nữa, dung dịch đi vào nồi đầu cónhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đunnóng dung dịch

Trong công nghệ hoá chất và thực phẩm, Cô đặc là quá trình làm bay hơimột phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi, vớimục đích:

+ Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch

+ Tách các chất hoà tan ở dạng rắn(kết tinh)

+ Tách dung môi ở dạng nguyên chất v.v

1.3 Sơ đồ mô tả thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

1.3.1 Mô hình và dây chuyền hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm.

Khi năng suất thiết bị lớn có thể thay một ống tuần hoàn trung tâm bằng một vàiống có đường kính nhỏ hơn

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 tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 15 -20% thiết diện của tất cả cácống truyền nhiệt

- Ưu điểm :

+ Cấu tạo đơn giản

+ Dễ vệ sinh và sửa chữa

kế đảm bảo lưu lượng nhập liệu là 8500kg/h

Dung dịch được đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ( thiết bị loại ống chùm ) Mục đích dung thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là để giảm chi phí hơi đốt và giảm thời gian gia nhiệt trong thiết bị cô đặc Tại đây dung dịch được nâng lên đến nhiệt độ sôi bằng hơi bão hòa được cung cấp từ ngoài vào Sau khi trao đổi nhiệt thìhơi ngưng tụ thành nước theo đường ống chảy vào thùng chứa, trên đường tháo nước ngưng có lắp bẫy hơi để không cho hơi theo nước ngưng ra ngoài

Dung dịch sau khi gia nhiệt đến trạng thái sôi thì đi vào nồi cô đặc I Hơi đốtđược cung cấp vào buồng đốt của nồi I là hơi bão hòa có áp suất 4 at Dưới tác dụng của hơi đốt của buồng đốt, hơi thứ được bốc lên và đẫn qua buồng đốt của nồi

II để gia nhiệt cho quá trình cô đặc tiếp theo Hơi đốt của nồi I sau khi ngưng tụ được dẫn ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng, sau đó chảy vào thùng chứa Phần khí

không ngưng trong hơi đốt của nồi I được dẫn đến bộ phận tách giọt được bơm chân không hút ra ngoài.

Tương tự quá trình diễn ra ở nồi I, dung dịch ở nồi II được cô đặc Sau khi rakhỏi nồi II dung dịch đạt nồng độ 36% được bơm tháo liệu đưa vào thùng chứa sản phẩm Hơi thứ nồi II được dẫn qua thiết bị ngưng tụ Bromet Tại thiết bị ngưng tụ Baromet hơi bốc từ dưới lên gặp nước lạnh từ trên xuống khí được ngưng tụ một phần thành nước, phần hơi không ngưng sẽ đi vào thiết bị phân ly lỏng hơi để tách hơi có lẫn giọt lỏng ra khỏi nhau, hơi được bơm chân không hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ được ngưng tụ và dẫn về ống Baromet chảy về bồn chứa Thùng chứa nước ngưng có lắp ống để nối với cống xả, khi cần xả lượng nước ngưng thừa

Các số liệu ban đầu :

- Chiều cao ống gia nhiệt 2m

- Nồng độ đầu của dung dịch xd = 13 %

- Nồng độ cuối của dung dịch xc = 36 %

- Áp suất hơi đốt nồi 1 Phd1 = 4 at

- Áp suất hơi ngưng tụ Png = 0,2 at

1 Tính toán lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W)

xd - Nồng độ đầu vào của dung dịch: xd = 13%

xc - Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 36%

Gd –Năng suất thiết bị: Gd = 8500 kg/h

55 , 5430 )

36

13 1 (



2 Tính toán lượng hơi thứ bốc ra khỏi mỗi nồi.

- Gọi: W1 - Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1: W1 (kg/s)

W2 - Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 2: W2 (kg/s)Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 là :

d d i

d

G X x

% 13

* 8500

X G x

d

d d

Nồng độ cuối ra khỏi nồi 2 là: x2 = x c = 36%

4 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống (ΔP)

ΔP được đo bằng hiệu số giữa áp suất đốt sơ cấp P1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ

ở thiết bị ngưng tụ Png

Ta có: ΔP = P1 - Png

= 4– 0,2= 3,8 (at)

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

- Giả thiết phân bố hiệu suất áp suất hơi đốt giữa các nồi như sau:

Áp suất hơi đốt nồi 1 là: P1 = 4at

Áp suất hơi đốt nồi 2 là: P2 = P1 - ΔP1 = 4- 2,682 = 1,318 at

Áp suất hơi ngưng tụ là: Png = 0,2 at

- Nhiệt độ hơi đốt của nồi 1 và 2 được xác định bằng cách tra bảng I-251 [1-314]Ứng với mỗi giá trị của áp suất tìm được ta tìm được nhiệt độ hơi đốt, nhiệt hóa hơi

ri, nhiệt lượng riêng hơi nước i1 tương ứng như sau:

rng = 2358 103 (J/kg)

6 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi

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

t’1 = t2 + ''

1

 = 107,08 + 1 = 108,08 (oC)t’2 = tng + ''

2

 = 59,7 + 1 = 60,7 (oC)Tra bảng I.250 [1-314] – Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ

t’1 = 108,08 (oC) Suy ra:

P’1 = 1,373 ati’1 = 2692,544.103 (J/kg)r’1 = 2239,376 103 (J/kg)t’2 = 60,7 (oC) P’2 = 0,21 at

i’2 = 2608,4 103 (J/kg)r’2 = 2355,5 103 (J/kg)

B ng t ng h p s li u 1ảng tổng hợp số liệu 1 ổng hợp số liệu 1 ợp số liệu 1 ố liệu 1 ệu 1 :

Nồi

(%) P(at) t( 0 C) I

(10 3 J/kg)

r (10 3 J/kg)

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ Tổng tổn thất này bằng tổnthất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi (∆')

do cột áp suất thủy lực (∆'') trong nồi và do trở lực thủy lực (∆''')

a/ Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của

dung môi (∆'):

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

áp suất của chúng ∆' ở áp suất bất kỳ được xác định theo Tysenco:

x2 = 36 % → ∆'02 = 5,3 0CT'i : Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (nhiệt độ hơi thứ rakhỏi mỗi nồi), [oK]

10 376 , 2239

08 , 381

8 , 2 2

,

16

059 , 4 10 5 , 2355

7 , 333 3 , 5 2

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

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

g

h h P

10

1 ).

h2 : Chiều cao ống truyền nhiệt, h2 = 2 m

ρddsi : Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi

3 , 1076 ).

2

2 2 , 0 ( 318

7 , 1153 ).

2

2 2 , 0 ( 21

- Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb vừa tính được xác định bằng cách tra bảng I.251[1-34]

Ptb1 = 1,477 at → ttb1 = 109,64 oC

Ptb2 = 0,21 at → ttb2 = 69,17 oC

* Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:

i tbi

d/ Tổng nhiệt độ tổn thất bằng:

  '  '  ' '  6,999 + 10,03 + 2 = 19,029 [oC]

8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

a Nhiệt độ hữu ích của hệ thống

Theo công thức (IV-325) ∆th = th - tng - ∑∆

th – Nhiệt độ hơi đốt nồi 1

tng – nhiệt độ hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ

∆thi = 142,9 – 59,7 – 19,029 = 64,171 (0C)

b Hiệu số nhiệt hữu ích trong mỗi nồi: là hệ số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc.

∆thi i = ti – tsi

Nồi 1: có ts1 = t’1 + ∆1’ + ∆1’’ = 108,08 + 2,94 + 1,56 = 112,58 (oC)

∆thi1 = t1 – ts1 = 142,9 – 112,58 = 30,32 (0C)Nồi 2: có ts2 = t’2 + ∆2’ + ∆2’’ = 60,7 + 4,059 + 8,47 = 73,229 (0C)

Giải thích các kí hiệu trong sơ đồ:

- Gđ : Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị; kg/h

Gđ = 8500 kg/h

- D : Lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất; kg/h

-W1, W2 : Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1,2 ; kg/h

- C0; C1; C2: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2; J/kg.độ

- Cnc1, Cnc2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2; J/kg độ

- tso, 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

- i1, i2 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2; J/kg.độ

- i'1, i'2 : Nhệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2; J/kg.độ

- Qm1, Qm1 : Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2;

b Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

Được thành lập dựa trên nguyên tắc:

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi raNồi 1:

1 1 1 1

1 1 1

2 1 1 1 2

- Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x = 13 %

16800 3 9630 4 26000

Nhiệt mất mát này thường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ở từngnồi Nghĩa là:

( ) (

95

,

0

) (

) '

(

1 1 2 2 2 2

1 1 2 2 2

2 2 1

s nc

s s

đ s

t C i C

i

t C t C G t

C i

95 , 0

) (

) '

(

1 1 1

0 0 1 1 1

1 1 1



nc

s s

đ s

C i

t C t C G t

C i

% kg/h kg/s

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

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

Nồi 1: t1 = 3,2 (0C) t1 = 142,9 (0C) r1 = 2744.103 (J/kg)

Nồi 2: t2 = 3,44(0C) t2 = 107,08 (0C) r2 = 2241,92.103 (J/kg)

Hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức (III_40)

2,04 .

.

r A

t H

 

 (W/m2.độ) (19)Đối với nước hệ số A có trị số phụ thuộc vào nhiệt độ màng (tm) theo công thức (II-28)

H – Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2(m)Nồi 1: Ta có tm1 = t1 - 11

2

t



142,9 - 32,2 = 141,3 (0C) Tra hệ số A theo tm1 : Bảng (II-40) Tra bảng ta được A1 = 194,195

Thay số vào công thức (19) ta được hệ số cấp nhiệt :

4 , 9527 2

2 , 3

10 2141 195

, 194 04 ,

Thay số vào công thức (19) ta được hệ số cấp nhiệt :

07 , 8842 2

44 , 3

10 92 , 2241 412

, 181 04 ,

3

* Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

q1i – nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i

Theo công thức (III-43)

1i 1i 1i

q   t (W/m2) (21)Tính nhiệt tải riêng cho từng nồi

Nồi 1: q11 = 3,2 9527,4 = 30487,88 (W/m2)

Nồi 2: q12 = 3,44.8842,07 =30416,7 (W/m2)

B ng s li u s 5ảng tổng hợp số liệu 1 ố liệu 1 ệu 1 ố liệu 1

r1, r2 – Nhiệt trở cặn bẩn ở hai phía của thành ống.

Nhiệt trở cặn bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt: r1 = 0,387.10-3 (m2.độ/W)Nhiệt trở chất tải nhiệt (nước bẩn lẫnh dầu nhờn) r2 = 0,232.10-3 (m2.độ/W)

-Bề dày ống truyền nhiệt:  = 0,002 (m)

- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt  = 46 (W/m2.độ)

Từ đó ta tính được: r= 0,387.10-3 + 0,232.10-3 + 0,002

46 = 6,62478.10-4 (W/m2.độ)Suy ra: t T1 q11 r = 30487,88 6,62478.10-4 = 20,2 (0C)

Cdd1 = 3718,07 (J/kg độ) Cdd2 = 3313,18 (J/kg độ) Tra hệ số dẫn nhiệt của nước - tra bảng (I.249); (I-310)

Với: Cp – nhiệt dung riêng của chất lỏng (J/kg độ)

- Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

M- Khối lượng mol của chất lỏng

A- Hệ số tỷ lê, phụ thuộc tính chất của chất lỏng (Đối với chất lỏng kết hợp (nước - rượu): A = 3,58.10-8

Nồng độ phần mol của NH4NO3 trong dung dịch được tính theo công thức:

Nồi 1: N(NH4NO3) =

18

19 100 80

19 80

19 1

2 3

4

3 4

1 1

NH

NO NH

M

x M

x M

36 80

36 1

2 3

4

3 4

2 2

NH

NO NH

M

x M

x M

2 , 1136

= 0,571 (W/m độ)

dd2

 = 3,58.10-8 3313,18 1122,8.3

94 , 24

8 , 1122

= 0,474(W/m độ)

* Tính độ nhớt nước ngưng, độ nhớt của dung dịch

Tra bảng I.104 [I-96] xác định độ nhớt của nước ở nhiệt độ > 1000C

(kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (J/kg.độ) (J/kg.độ) m 2 độ) (W/m 2 độ) (Cp) (Cp)

1 1136,2 948,96 4294,25 3718,07 0,571 0,6845 0,5105 0,4753

2 1122,8 975,86 4229,204 3313,18 0,474 0,67 0,6685 0,3888Thay số vào công thức (24) ta có:

1

 = 0,957

2

 = 0,657Thay vào công thức (22) Ta có hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống đến chất lỏng sôi

Nồi 1: 21= 45,3 1,3180,5 6,922,33 0,957 = 4512,47 (W/m2.độ)

Nồi 2:  22= 45,3 0,210,5 10,262,33 0,657 = 3096,3 W/m2.độ)

* Tính tải nhiệt riêng về phía dung dịch

q2i =   2i. t2i (w/m2) (26)Nồi 1: q21 = 4512,47 6,92 = 31226,34 (W/m2)

q

q q

q

88 , 30487

34 , 31226 88

, 30487

q

q q

q

7 , 30416

1 , 31768 7

, 30416

Tính theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau

Theo công thức (III-154)

Ki = tbi

i

q t

 (W/m2độ) (27)Nồi 1: 11 21

,

= 30857,11 (W/m2)Thay số vào công thức (27) ta có

.



r D

= 1503213,9 (W/m2)

2

1 , 31768 34

, 31226 2

22 21

.(

10 92 , 2241 33 ,

1531302,4(w)

12 Tính hiêu số nhiệt độ hữu ích từng nồi

Tính hệ số nhiệt hữu ích từng nồi

i i

K Q K

Q T

9 , 1503213

4 , 1531302



67 , 1645 07

, 1447 /

07 , 1447 ) 85 , 33 32 , 30 (

*

15 , 34 24 , 3092

67 , 1645 ) 85 , 33 32 , 30 (

1 , 30 32 , 30 100

1

* 1 1

T

85 , 33

15 , 34 85 , 33 100

2

* 2 2

*

i

T

(0C)

F- Tính theo phương thức bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau

Tính theo công thức (III-145)

9 , 1503213

4 , 1531302

Vậy quy chuẩn F1 = F2 = 49,1 m2

.

Phần III Tính toán thiết bị phụ

1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

- Giả thiết sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp loại ống chùm bằng tácnhân tải nhiệt là hơi nước bão hoà

- Do kết cấu của thiết bị trao đổi nhiệt, nên lưu thể sạch (không tạo ra cặnbẩn trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn nhiệt) người ta cho đi khoảngkhông gia ngoài ống, còn lưu thể nào tạo ra cặn bẩn trong quá trình làm việc thì cho

đi qua ống Ngoài ra lưu thể nào có công suất lớn người ta cũng cho đi trong ống,

vì ống chịu được áp suất lớn hơn vỏ

- Giả thiết ta cho hơi nước bão hoà đi khoảng không gian ngoài ống Hỗnhợp cho đi trong ống

Tính lượng nhiệt trao đổi Q

Q = F.Cp.(tF - tf)

Trong đó: F: Lưu lượng hỗn hợp đầu ; F = 8500 kg/h = 2,36 (kg/s)

tF: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp theo yêu cầu tF = tso = 142,9 (0C)

CP - Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại tF: CP = Co 3641,82 (J/kg độ)

tf - Nhiệt độ của dung dịch vào, Giả sử tf = 250C

Tính Q 2,36 3641,82 (142,9-25) = 1013314,56 (W)

2 Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa 2 lưu thể

- Hiệu số nhiệt độ lớn

9 , 117 25 9 ,

9 , 117

c d tb

t t

lg 3 ,

9 , 117 lg 3 , 2

32 , 30 9 , 117

64,57 (0C)

- Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể:

Hơi đốt: t1tb = 142,9 (0C)

Phía hỗn hợp: t2tb 142,9-64,57=78,33 (0C)

3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

*) Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt ngưng tụ theo công thức 1.63 [QTTB3_T40]

4 1

2,04 .

.

r A

t H

 

 (W/m2.độ)Trong đó: r - Ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hoà (J/kg )

H – Chiều cao ống truyền nhiệt H = 5(m)

Ở nhiệt độ t1 = 142,9 (0C) - Suy ra r = 2141.103 (J/kg) (Bảng số liệu 1)

- Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với:

10 2141

15 , 194 04 ,

Prt- Chuẩn số Praudtl của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường

Pr, Re: Chuẩn số Praudlt, chuẩn số Reynol tính theo nhiệt độ trung bình củadòng

- Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số chiều dài L và đường kínhcủa ống

036 , 0

+ Tính chuẩn số Pr: Theo công thức 1,22 [2-21]

Pr = C  p.

Trong đó:

Cp - Nhiệt dung riêng của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ, Cp= Co = 3641,82(J/kg.độ)

- Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình, theo công thức I,32 [1-123]

3 p

- Khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ ttb 78,33 0C, x = 19%

Theo bảng I.59 [1-46] Suy ra NH4NO3  1098 , 5 kg/m3

M - Khối lượng mol phân tử, nồi 1 M1= 21,1

3 8

1 , 21

5 , 1098

5 , 1098 82 , 3641 10

465 , 0 82 , 3641



* Tính chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ tường

- Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

1 1

Độ nhớt của dung dịch Tra bảng [I_100] có  = 0,134(Cp) = 0,134.10-3 (N.s/m2)

- Hệ số dẫn nhiệt của tường

3 pt

5 , 1097

=0,545 (W/m.độ)

- Tính Prt: Prt =

t

t pt

914 , 0

16 , 3

2 , 36200 86

, 34673 100

q



- Nhiệt tải trung bình

) / ( 03 , 35437 2

2 , 36200 86

, 34673 2

2 2

56 ,

m m

29





dH F

Trong đó: d = dtd = 0,037

2

038,0036,0

- Số ống trùm đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là 13

- Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân: 127 ống

- Số ống trong các hình viên phấn = 0

6 Tính đường kính trong của thiết bị đun nóng

- Theo công thức V.40 [2-49]

D = t.(b - 1) + 4.dn (m)Trong đó: t - bước ống thường chọn t = 1,2 - 1,5 dn

dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = 0,038 (m)b- Số ống trên đường xuyên tâm của thiết bị truyền nhiệt

b = 2a - 1a- Số vòng lớn nhất trên vòng ngoài của thiết bị a= 7

b = 2a - 1 Suy ra b = 2.7 -1 = 13Chọn t = 1,4.dn = 1,4 0,038 = 0,0532

10 465 , 0

W

W W

36 , 2 4

.

4

D = 800 (mm) - Đường kính trong của thiết bị

H = 2m - Chiều cao giữa hai mặt bích

8 Tính thùng cao vị

Thùng cao vị là nơi chứa dịch trước khi đ ưa vào thiết bị trao đổi nhiệt đầu.Nhờ ống chảy tràn nên mức chất lỏng trong thùng cao vị được giữ không đổi đểduy trì từ áp suất trong quá trình cấp liệu

8.1_ Các trở lực trong quá trình cấp liệu

a) Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt

Pm = Pms1 + Pcb1 + Pw1 (N/m2)Trong đó: Pms1 - Trở lực ma sát

Pcb1 - Trở lực cục bộ

1

W

P

 - Áp suất động lực học của chất lỏng trong ống

Giả thiết: - chiều dài ống l1 = 9m

36 , 2

2,1.10-3 ( V1 - Lưu lượng thể tích trong ống)

12 , 0 14 , 3

10 1 , 2 2

4

2

3 2

0

1 0

V

02 , 51 2

092 , 0 5 ,

Tính Re : : Re = 01 1

1

W  d o

Trong đó:  1- Độ nhớt của dung dịch vào: Tra bảng ở 250C, x = 19%:  1 =0,79.10-3 (N.s/m2)

10 79 , 0

12 , 0 5 , 1098 092 , 0

153511,8 >104 Chế độ chảy xoáyTính hệ số ma sát  theo công thức II.65 [1-380]

120

1 ,

 (theo II.66 [1-377])

2264 , 0 7

, 3 10 33 , 8 48

, 68494 81 , 6 lg 2 7

, 3 Re

81 , 6 lg

.

2

2 4 9

, 0 2

9 , 0

9 2264 , 0

- Trở lực cửa vào từ thùng cao vị vào ống, với cạnh nhẵn = 0,5

- Trở lực do đột mở từ ống vào thiết bị gia nhiệt có đường kính D = 0,8(m)

- Tiết diện đầu thiết bị chia 3 ngăn

3

8 , 0 785 , 0 3

785 ,

0113 , 0 1 1

2 2

- Trở lực do ống chuyển hướng (giả thiết 2 khuỷu hình chữ Z mặt cắt hình vuông

dòng ngoặt đột ngột)  = 0,9 [1 - 395]  Chọn L 0,6

b  (bảng N0 32)Tính: P cb1 = (0,5 + 0,87 + 4,1 + 2.0,9).51,02 = 370,9 (N/m2)





81 , 9 5 , 1098

22 , 1288

36 ,

12 , 0 14 , 3

10 07 , 2 4

4

2

3 2

0

2 1

V

05 , 19 2

183 , 0 2 ,

- 2- Độ nhớt của dung dịch vào ở 142,90C, x = 19% ;  2 = 0,134.10-3 (N.s/m2)

10 134 , 0

12 , 0 2 , 1136 183 , 0

 > 104Chế độ chảy xoáyTính  theo công thức II.65 [1- 380]

, 0 2

9 , 0

7 , 3

10 33 , 8 13

, 186201

81 , 6 lg 2 7

, 3 Re

81 , 6 lg

.

2

01 , 13 02 , 51 12 , 0

5 , 1 0204 , 0

0113 , 0

+ Trở lực do van (mở 100%)  = 4,22 (Tra bảng N0 37 [1- 397]

+ Trở lực do chuyển hướng đột ngột  = 0,9 (Chọn L/b = 0,6 bảng N0 32 395]

[2-Do vậy:   = 0,0675 + 1,0 + 4,22 + 0,9 = 5,6875Tính: P cb2 = 5,6875.51,02 = 290,17(N/m2)



P m2 51,02 + 13,01+ 290,17 = 354,2 (N/m2)

81 , 9 2 , 1136

2 , 354

36 ,

036 , 0 14 , 3

10 69 , 1 4

4

2

5 2

3 1

V

15 , 0 2

017 , 0 5 ,



  (N/m2) II.56 [ST1_377]

Trong đó: l3 - Chiều dài ống trao đổi nhiệt l3 = 2 (m)

d3 - Đường kính ống trao đổi nhiệt d3 = 0,036(m)

m2)

10 465 , 0

036 , 0 5 , 1098 017 , 0

 < 4000Chế độ chảy quá độTính  theo công thức II.59 [1- 380]

=0,3164/Re0,25 = 0,3164/1445,8,25 =0,051

4 , 361 02 , 51 036 , 0

5 051 , 0

127 036 , 0 785 , 0 3

785 ,

87 , 0 ) 1675 , 0

0113 , 0 1 ( ) 1

1

o

f

f = 0,0675 Tra bảng N013 [1 -388] Suy ra  4 = 0,5163+ Trở lực do chuyển hướng đột ngột 5= 0,9

2 , 21568

) / ( 2 , 21568 57

, 21552 172

, 9 5265 , 5 931 , 0

3

3 3

2 3

m g

P h

m N P

m m