THIẾT kế hệ THỐNG cô đặc nacl HAI nồi NGƯỢC CHIỀU BUỒNG đốt TREO NĂNG SUẤT 10 tấn TRÊN GIỜ

- Tách các 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 ởdạng hơi, còn chất tan trong dung d

TRƯỜNG ĐẠI HOC BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NaCl HAI NỒI NGƯỢC CHIỀU

BUỒNG ĐỐT TREO NĂNG SUẤT 10 TẤN/GIỜ

GVHD :TS Lê Thanh Thanh

SVTH : Huỳnh Minh Tuân

Nguyễn Bình Xuyên

Vũng Tàu, tháng 4 năm 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA HỌC & CNTP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-o0o -NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên : Huỳnh Minh Tuân

Dương Hoàng Tuấn Nguyễn Bình XuyênLớp: DH11H1

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

1 Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống cô đặc NaCl hai nồi ngược chiều, buồng đốt treo năng suất 10 (tấn/h)

2 Các số liệu ban đầu:

Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ : 0,25 at

3 Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Thanh Thanh

4 Ngày giao nhiệm vụ:

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2014

Người nhận xét

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2014

Người nhận xét

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC NaCl……… 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Nguyên liệu 2

1.2.1 Tính chất vật lí 2

1.2.2 Ứng dụng 2

1.3 Những biến đổi trong quá trình cô đặc 2

1.4 Cô đặc 3

1.4.1 Định nghĩa 3

1.4.2 Các phương pháp cô đặc 3

1.4.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 4

1.4.4 Phân loại 4

1.4.5 Hệ thống cô đặc nhiều nồi 5

1.6 Các thiết bị và chi tiết 6

1.7 Yêu cầu thiết bị và năng lượng 6

1.5 Lựa chọn phương án thiết kế 7

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ……… 8

CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Dữ kiện đầu 10

3.2 Cân bằng vật chất 10

3.2.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung dịch thay đổi từ xđ đến xc 10

3.2.2 Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi 10

3.3 Cân bằng năng lượng 11

3.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ 11

a Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc 11

b Xác định nhiệt độ trong các nồi 11

3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ 12

a Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra () 12

b Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tỉnh ( 13

c Tổn thất nhiệt độ do đường ống () 15

d Tổn thất do toàn bộ hệ thống () 15

e Hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn bộ hệ thống 15

f Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi 15

g Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi 16

3.4 Cân bằng nhiệt lượng 16

3.4.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi 16

3.4.2 Nhiệt lượng riêng 17

3.4.3 Kiểm tra lại lượng phân bố hơi thứ ở các nồi 18

3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng 18

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT 4.1.Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 20

4.1.1.Tính nhiệt lượng đo hơi đốt cung cấp 20

4.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 20

4.2 Diện tịch bề mặt truyền nhiệt 28

4.2.1 Hiệu số hữu ích của mỗi nồi 28

4.2.2 Diện tích bề mặt truyền nhiệt mỗi nồi 28

CHƯƠNG 5 : TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 5.1 Buồng đốt 30

5.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 30

5.1.2 Đường kính buồng đốt 30

5.1.3 Bề dày của buồng đốt 30

5.1.4 Bề dày đáy buồng đốt 33

5.1.5 Bề dày của vĩ ống 25

5.2 Buồng bốc 35

5.2.1 Đường kính đường bốc 35

5.2.2 Chiều cao buồng bốc 36

5.2.3 Bề dày thành buồng bốc 37

5.2.4 Nắp của buồng bốc 39

5.3 Đường kính các ống dẫn 41

5.3.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt 41

5.3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứ 41

5.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch 42

5.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng 44

CHƯƠNG 6 : TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ 6.1 Bề dày của lớp cách nhiệt 46

6.1.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn 46

a Ống dẫn hơi đốt 46

b Ống dẫn hơi thứ 47

c Ống dẫn dung dịch 47

6.1.2 Bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 48

6.2 Chọn mặt bích 49

6.3 Tính vĩ ống 50

6.4 Tai treo giá đỡ 51

CHƯƠNG 7: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ

7.1 Cân bằng vật liệu

7.1.1 Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ

7.1.2 Thể tích khí không ngưng và không khí được rút ra khỏi thiết bị

7.2 Kích thước thiết bị ngưng tụ

7.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ

7.2.2 Kích thước tấm ngăn

7.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ

7.2.4 Tính kích thước thiết bị barômét

7.3 Chọn bơm

7.3.1 Bơm chân không

7.3.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ

7.3.3 Bơm dung dịch vào nồi

7.3.4 Bơm dung dịch từ nồi 2 sang nồi 1

7.4 Tính bồn cao vị

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp sản xuất hóa chất vấn đề thiết kế và chế tạo các thiết

bị phục vụ cho công nghiệp hóa học là yêu cầu cần thiết đối với các sinh viênkhối kỹ thuật hóa chất Từ chọn vật liệu đến kích thước của các thiết bị, phương

án thiết kế…Tất cả đều nhằm mục đích tìm được điều kiện tối ưu và thích hợpnhất để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, có hiệu quả kinh tế

Ngày nay, sự phát triển của công nghiệp hóa chất ngày càng mạnh Vìthế, nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn làkhông thể thiếu Các phương pháp thường được sử dụng là: chưng cất, trích ly,

cô đặc,….Tùy vào đặc tính của hợp chất và mục đích sử dụng mà ta lựa chọnphương pháp thích hợp Đối với NaCl ta dùng phương pháp cô đặc để thu đượcNaCl có nồng độ và độ tinh khiết cao

Đồ án môn học “Các Quá Trình và Thiết bị” là một đồ án mang tính tổnghợp giúp sinh viên tiếp cận với các quá trình tính toán công nghệ và vận dụngnhững kiến thức đã học từ các môn như: truyền nhiệt, truyền khối, các quá trìnhthiết bị và cơ học Từ công đoạn chọn vật liệu chế tạo đến các phần tình toánthiết bị chính và phụ Cụ thể phần tính toán chi tiết sẽ được trình bày ở phần nộidung công nghệ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC NATRICLORUA (NaCl)

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của các ngành công nghiệp thìnhu cầu sử dụng hóa chất ngày càng tăng Một trong những hóa chất được sảnxuất và sử dụng nhiều là NaCl

Trong sản xuất NaCl, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng Nóđưa dung dịch lên nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiếtkiệm chi phí vận chuyển, độ tinh khiết cao và tạo điều kiện cho quá trình kếttinh nếu cần

1.2 Nguyên liệu

1.2.1 Tính chất vật lí [1,4]

- NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion

- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày

- Khối lượng riêng dung dịch 10%: 1073 kg/m3

- NaCl là nguyên liệu để điều chế Na, Cl2, HCl, NaOH và hầu hết các hợpchất khác của natri

- Muối natri có tính hút ẩm, do đó được sử dụng để bảo quản thực phẩm, nólàm tăng áp suất thẩm thấu dẫn đến làm cho vi khuẩn mất nước và chết

1.3 Những biến đổi trong quá trình cô đặc [1,4]

- Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩmbiến đổi không ngừng Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăngdẫn đến tính chất dung dịch thay đổi

- Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt

độ, nhiệt độ sôi

- Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ

số truyền nhiệt

∗ Yêu cầu chất lượng sản phẩm:

- Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu

- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi

- Tách các 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 ởdạng hơi, còn chất tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của chấttan sẽ tăng dần lên Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơithứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác

1.4.2 Các phương pháp cô đặc [1,5]

- Phương pháp nhiệt (đun nóng):

Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng củanhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặtthoáng dung dịch Để cô đặc được dung dịch không chịu được nhiệt độ cao đòihỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp cùng với nhiệt độ ở mặt thoáng thấp Đó làphương pháp cô đặc chân không

- Phương pháp lạnh:

Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạngtinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chấttan Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng màquá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đếnmáy lạnh

-So sánh 2 phương pháp:

Cô đặc dung dịch chịu được nhiệt Cô đặc dung dịch không chịu được

nhiệt

Sản phẩm dể bị hỏng do nhiệt Sản phẩm không bị hỏng do nhiệt.Sản phẩm dể bị thay đổi màu sắc,

đôi khi có mùi

Sản phẩm không bị thay đổi màusắc, không có mùi

Hiệu suất cô đặc cao Hiệu suất cô đặc thấp

1.4.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt [4]

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của cácphân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽthu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó,

ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trongquá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng cácphần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi côđặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

1.4.4 Phân loại và ứng dụng [1,5]

a Phân loại theo cấu tạo

∗ Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên):

Thiết bị dạng này dùng để cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảmbảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Thiết bị có buồng đốt trong (đồng trục bốc): có thể có ống tuần hoàntrong hoặc ngoài

- Thiết bị có buồng đốt ngoài (không đồng trục bốc)

∗ Dung dịch đối lưu cưỡng bức:

Thiết bị dạng này được dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bámcặn hay kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Thiết bị cô đặc có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

- Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

∗ Dung dịch chảy thành màng mỏng,

Thiết bị dạng này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặttruyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thànhphần của dung dịch.

- Màng dung dịch chảy ngược, thiết bị có buồng đốt trong hay ngoài: sửdụng cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, thiết bị có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụngcho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dể vỡ

b Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ áp suất không đổi.Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để năngsuất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạtđược không cao

- Cô đặc áp suất chân không (thiết bị kín): dung dịch có nhiệt độ sôi dưới

1000C, áp suất chân không, dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nướcliên tục Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi thấp, dể bịphân hủy vì nhiệt

- Cô đặc ở áp suất dư dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ caonhư các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quátrình đun nóng khác

1.4.5 Hệ thống cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi: là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt Mục đích chính

là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệmhơi Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quảkinh tế

Trong thực tế khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lên nồng

độ khá đặc thì người ta thường dùng các hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiềuhay ngược chiều

-Hệ thống cô đặc xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch chất tan dểbiến tính vì nhiệt độ cao như: dung dịch nước đường hay dung dịch nước tráicây, thực phẩm,…

- Hệ thống cô đặc ngược chiều thích hợp cho cô đặc các dung dịch vô cơkhông bị biến tính vì nhiệt độ cao

1.5 Các thiết bị và chi tiết

∗ Thiết bị chính:

- Ống truyền nhiệt

- Buồng đốt, buồng bốc, đáy và nắp

- Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng, dẫn dung dịch,

- Tai treo

∗ Thiết bị phụ:

- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước lạnh, bơm chân không,…

- Thiết bị gia nhiệt

- Thiết bị ngưng tụ baromet

- Các loại van

- Thiết bị đo

1.6 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm

- Cường độ truyền nhiệt cao

- Đơn giản dể sửa chữa, tháo lắp, dể làm sạch bề mặt truyền nhiệt

- Phân phối hơi đều

- Xả liên tục ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng

- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo

- Tổn thất năng lương do thoát nhiệt nhỏ nhất

- Thao tác đơn giản, tự động hóa dể dàng

1.7 Lựa chọn phương án thiết kế [3,149]

Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nóitrên đối với đề tài thiết kế hê thống cô đặc NaCl hai nồi ngược chiều buồng đốttreo nên chúng tôi chọn thiết bị cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt treo

Ưu điểm:

- Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồiđầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy Kết quả là hệ sốtruyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy

- Lượng nước bốc hơi ở nồi cuối nhỏ dẫn đến lượng nước làm ngưng tụtrong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi cuối ít hơn so với cô đặc hai nồi xuôi chiềunên thiết bị ngưng tụ có kích thước nhỏ hơn so với xuôi chiều

Nhược điểm:

Do dung dịch đi từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao nên không tự

di chuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung dịch, làm tăng chiphí

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

- Nguyên liệu đầu vào là dung dịch NaCl có nồng độ 10% ở nhiệt độ 300Cđược bơm từ bồn chứa (1) lên bồn cao vị (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (4)vào thiết bị gia nhiệt (5) với suất lượng là 10 tấn/h Tại đây, nguyên liệu đượcgia nhiệt đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bảo hòa cung cấp từ ngoài vào.

- Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Thân hình trụđặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí treo đỉnh hình tam giác đều.Các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống và vĩ ống được hàn dính vào thân Hơinước bảo hòa có áp suất 4 (at) đi bên ngoài ống Dung dịch được bơm vào thiết

bị, đi bên trong ống từ dưới đi lên Hơi nước bão hòa sẽ ngưng tụ trên bề mặtcủa ống, cấp nhiệt cho dung dịch NaCl để nâng cao nhiệt độ của dung dịch đếnnhiệt độ sôi

-Dung dịch sau khi được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi sẽ đi vào nồi 2 của thiết

bị cô đặc (6) để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi ngựng tụ theo ống dẫn nướcngưng qua bẩy hơi (12) chảy ra ngoài

Nguyên lí làm viêc của nồi cô đăc: phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồmcác ống truyền nhiệt, được đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữaphòng đốt và vỏ đóng vai trò ống tuần hoàn Dung dịch đi trong ống,hơi đốt sẽ

đi trong khoảng không gian bên ngoài ống Hơi đốt sẽ ngưng tụ bên ngoài ống

và nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống

- Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi cókhối lượng riêng giảm đi Dung dịch trong ống truyền nhiệt có khối lượng riêngnhỏ hơn dung dịch bên ngoài khoảng trống vành khăn nên sẽ bị đẩy lên trên còndung dịch trong khoảng trống vành khăn sẽ bị đẩy xuống tạo một dòng chuyểnđộng tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị

- Sau nhiều lần như vậy hơi nước tách ra khỏi dung dịch càng nhiều thìnồng độ dung dịch càng tăng Sau đó, dung dịch ra khỏi nồi 2 được dẫn qua ởphía dưới và nhờ bơm (15) đưa đến nồi 1 Hơi đốt đi vào ống dẫn hơi đốt với ápsuất 4 (at) rồi phun vào bên ngoài các ống truyền nhiệt Hơi thứ và khí khôngngưng ở nồi 1 được dẫn vào buồng đốt ở nồi 2 Quá trình cô đặc diễn ra như ởnồi 2 Dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1 có nồng độ theo yêu cầu là 40%, ra ngoài

và dẫn vào bể chứa sản phẩm (11)

- Hơi thứ của nồi 1 sẽ được đưa vào nồi 2 Còn hơi thứ và khí không ngưng

ở nồi 2 sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ baromet (7)

Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp Chất làm lạnh

là nước được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào

mâm cuối của thiết bị Hai dòng lỏng và hơi đi ngược chiều với nhau để nângcao hiệu quả truyền nhiệt Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt nên nó sẽngưng tụ thành lỏng rơi trở xuống Khi ngưng tụ chuyển từ hơi thành lỏng thìthể tích của hơi sẽ giảm làm áp suất giảm Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên

và được dẫn qua thiết bị tách bọt (8) Bình tách là là một vách ngăn có nhiệm vụ

là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồnchứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.1 Dữ kiện đầu

- Dung dịch NaCl

- Nồng độ dung dịch cuối : 40% Khối lượng (kl)

- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ : 0,25 (at)

W : lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h);

Gđ : lượng dung dịch ban đầu (kg/h);

xđ, xc : nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% kl);

3.2.2 Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi

Ta có: W= W1+ W2

Trong đó:

W1: lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 1 (kg/h);

W2: lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 2 (kg/h);

Để đảm bảo việc dùng hơi thứ của nồi trước cho nồi sau thường người taphải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp

xc1, xc2: nồng độ cuối của dung dịch ở nồi 1 và nồi 2 (%kl);

W1, W2: lượng hơi thứ thoát ra từ nồi 1 và nồi 2 (kg/h);

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ

a Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc

Gọi:

P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, nồi 2 và trong thiết bị ngưng tụ (at);

: hiệu số áp suất cho cả hệ thống cô đặc (at);

: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2 (at);

: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ (at);

Nhiệt độ(0C)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(0C)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(0C)

Áp suất hơi thứ (at) 1,81 0,26

b Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (

Ta có tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:

= ttb – t0; [6,60]

Trong đó:

ttb : nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb (0C);

t0 : nhiệt độ sôi ứng với áp suất P0 (0C);

Ptb: áp suất thủy tĩnh ở giữa khối chất lỏng cần cô đặc (N/m2);

P0: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2);

Ptb = P0 + (h1 + ) , at; [6,60]

Trong đó:

h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặtthoáng dung dịch (chọn h1 = 0,5m cho cả 2 nồi);

h2: chiều cao ống truyền nhiệt (chọn h2 = 1,6m cho cả hai nồi);

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3);

=

g: gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2);

Ps: áp suất hơi bão hòa của nước ở áp suất thường (at);

• Nồi 1: Nồng độ dung dịch ở nồi 1: 40%; nhiệt độ sôi ts1 = 108 0C cũng tạinhiệt độ này áp suất hơi bão hòa của nước là: 1,37 (at)

3.4 Cân bằng nhiệt lượng

3.4.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

- Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:

Do nồng độ của dung dịch là xđ = 10% nhỏ hơn 20% nên nhiệt dung riêngđược tính theo công thức:

C = 4186.(1-x) = 4186.(1-0,1) = 3767,400 (J/kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1:

Do nồng độ của dung dịch là xc1 = 40% lớn hơn 20% nên nhiệt dungriêng được tính theo công thức:

t (0C) (K/kg)i.10-3 C(J/kg.độ) ts (0C)Nồi 1 142,9 2744,06 4294,25 116,4 2705,96 2689,376 117,9Nồi 2 115,4 2704,56 4242,18 65,5 2618,38 3516,240 70,9

3.4.2 Nhiệt lượng riêng

Gọi:

D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h);

Gđ, Gc: lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h);

W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h);

I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg);

i1, i2: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg);

Cđ, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ);

tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (0C);

, : nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (0C);

Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg.độ);

Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2 (W);

• Nhiệt lượng vào gồm có:

 Nồi 1:

- Nhiệt do hơi đốt mang vào: D1I1

- Nhiệt do dung dịch mang vào: (Gđ – W2).C2.ts2

 Nồi 2:

- Nhiệt do hơi thứ nồi 1 mang vào: D2I2 = W1i1

- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: Gđ.tđ.C1

• Nhiệt ra bao gồm:

 Nồi 1:

- Nhiệt do hơi thứ mang ra: W1i1

- Nhiệt do dung dịch mang ra: (Gđ – W).C1.ts1

- Nhiệt do hơi nước ngưng tụ: D1.Cng1

- Nhiệt do tổn thất chung: Qtt1 = 0,05D1(I1 – Cng1)

 Nồi 2:

- Nhiệt do hơi thứ mang ra: W2i2

- Nhiệt do dung dịch mang ra: (Gđ – W2).C2.ts2

- Nhiệt do hơi nước ngưng tụ mang ra: D2.Cng2

- Nhiệt do tổn thất chung: Qtt2 = 0,05D2(I2 – Cng2)Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ΣNhiệt vào = ΣNhiệt ra

 Nồi 1:

D1I1 +(Gđ – W2).C2.ts2 = W1i1 + (Gđ – W).C1.ts1 + D1.Cng1 + Qtt1

 Nồi 2:

D2i2 + Gđ.ts1.C1 = W2i2 + (Gđ – W2).C2.ts2 + D2.Cng2 + Qtt2Xem nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ đầu của dungdịch bằng nhiệt độ sôi nồi 2

Lượng hơi thứ nồi 2 là: W2 =3569 (kg/h)

Lượng hơi đốt tiêu tốn chung là: D =

D: lượng hơi đốt dùng cô đặc (kg/mẻ)

W: lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/mẻ)

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

4.1.Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

4.1.1.Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

Trong đó:

Di : nhiệt lượng hơi đốt mỗi nồi

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi (tra bảng I.250/trang 312-[5])

-Chọn bề dày ống truyền nhiệt

-Chọn loại ống truyền nhiệt là thép không gỉ CT3 có (W/m.độ)

 ∑r = (m2.do/W)

Nhiệt tải riêng trung bình:

: nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bảo hòa ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứngđược tính theo công thức Nuselt

, (W/m2.do) (*)

(J/kg): ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

bề cao bề mặt truyền nhiệt

: là trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước

- : khối lượng riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch ở 117,90C và nồng độ 40%

1240,2 + M: Khối lượng riêng trung bình của dung dịch

 0,4.58,5 +(1-0,4).18 = 34,2 (g/mol)+ A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước

( thỏa mãn điều kiện sai số)

Vậy nhiệt tải trung bình nồi 1 là:

= 32023,666 (W/m2).

+ q1: nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứng được tính theo công thức Nuselt

ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

H =1,6m bề cao bề mặt truyền nhiệt

A : là giá trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước

Bảng 4.2 Giá trị của A phụ thuộc vào nhiệt độ màng

Thay α1 vào công thức (1) ta có:

+ M: Khối lượng riêng trung bình của dung dịch.

 0,16.58,5 +(1-0,16).18 = 24,48 (g/mol)+ A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước

( thỏa mãn điều kiện sai số)

Vậy nhiệt tải trung bình nồi 2 là:

4.2 Diện tịch bề mặt truyền nhiệt

4.2.1 Hiệu số hữu ích của mỗi nồi

Chọn F1 = F2 = 81,969 (m2)

CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 5.1 Buồng đốt

F=81,696 (m2): diện tích bề mặt truyền nhiệt (trang 29);

dn: đường kính ống truyền nhiệt (chọn dn=0,06m);

h: chiều cao ống truyền nhiệt (chọn h=1,6m);

Vậy số ống truyền nhiệt là:

n= = 271(ống)Theo bảng qui chuẩn số ống truyền nhiệt [6,48]

5.1.3 Bề dày của buồng đốt

Chọn vật liệu làm than buồng đốt là thép

Bề dày buồng đốt là thép được xác định theo công thức:

S = + C,(m);[6,360]

Trong đó:

: đường kính trong của buồng đốt (m);

: hệ số truyền của thành hình trụ tính theo phương dọc,chọn =0,95 [6,362];C: hệ số bổ sung ăn mòn;

P: áp suất trong thiết bị (at);

Do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử :=; [6,365]

P== 1,75.9,81.104 = 171675 (N/m2)

Ta có:

S= + 1,8.10-3= 2,9 (mm)Chọn S=4mm

- Kiểm tra ứng xuất

P1 = 9,81.1068,048.1,6 = 16764 (N/m2);

= 1,5 171675 + 16764 = 274277 (N/m2);

Ta thấy

= = 105.106 < 200.106 (N/m2)Vậy chọn bề dày buồng đốt nồi 2 là S = 4 (mm)

Ta có thể chọn bề dày buồng đốt cả 2 nồi là 5 (mm)

5.1.4 Bề dày đáy buồng đốt

Được tính theo hình elip có gờ, vật liệu là thép

=.+C, (m) [6,385]

Trong đó:

: chiều cao phần lồi của đáy(m)

Chọn :=0,25.= 0,25.1,6 = 0,4 (m)

: hệ số bền của mối hàn hướng tâm, chọn = 0,95;

k: hệ số không thứ nguyên được xác định bởi công thức:

Vậy chọn chiều dày đáy buồng đốt nồi 1 là S= 7(mm)

- Kiểm tra ứng suất thành:

=; [6,386]

= = 186.106 < 200.106 (N/m2)Vậy chọn chiều dày đáy buồng đốt nồi 1là: = 7(mm)

Vậy chọn chiều dày đáy buồng đốt nồi 1 là S=5,5 (mm)

- Kiểm tra ứng suất thành:

= ⇒= = 158.106 (N/m2)< 200.106 (N/m2)

Vậy chọn chiều dày đáy buồng đốt nồi 2 là =5,5 (mm)

Vậy ta chọn chiều dày đáy buồng đốt cả 2 nồi là 7 (mm)