Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, thiết bị cô đặc phòng đốt treo, cô đặc dung dịch NaCl

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, thiết bị cô đặc phòng đốt treo, cô đặc dung dịch NaCl tài...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMKHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ môn: Công nghệ sau thu hoạch

-o0o -

-NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Thuần

Lớp: CNTP45

Ngành: Công Nghệ Thực Phẩm

1/ Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều

Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

Cô đặc dung dịch NaCl

2/ Các số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 18

- Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 12

- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng): 25

- Áp suất hơi đốt nồi 1 (at): 4

- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,3

3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Đặt vấn đề

- Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết kế

- Chương II:Tính toán công nghệ thiết bị chính

- Chương III:Tính và chọn thiết bị phụ: Thiết bị Baromet, bơm chân không, bơm dungdịch, thiết bị gia nhiệt

- Chương IV: Kết luận

- Tài liệu tham khảo

4/ Các bản vễ và đồ thị (ghi rõ các loại bản và kích thước các loại bản vẽ):

- 1 bản vẽ hệ thống thiết bị chính, khổ A1 và A3 đính kèm trong bản thuyết minh

- 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1

5/ Giáo viên hướng dẫn:

Phần: toàn bộ Họ và tên giáo viên: Tống Thị Quỳnh Anh

6/ Ngày giao nhiệm vụ: 25/03/2014

7/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/05/2014

Thông qua bộ môn

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm 2014 (Ký, ghi rõ họ tên)

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 6

I Tổng quan về sản phẩm 6

1.1.1 Tính chất vật lý cơ bản của sản phẩm 6

II Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc 6

1.2.1 Định nghĩa 6

1.2.2 Các phương pháp cô đặc 7

1.2.3 Ứng dụng của sự cô đặc 8

1.2.4.Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình 8

III Lựa chọn phương án thiết kế - thuyết minh quy trình công nghệ 9

1.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế 9

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 9

CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11

2.1 Tính cân bằng vật liệu 11

2.1.1 Xác định lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống 11

2.1.2 Xác định sự phân phối hơi thứ trong các nồi 11

2.1.3 Xác định nồng độ dung dịch cuối mỗi nồi 12

2.2 Cân bằng nhiệt lượng 12

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ trong các nồi ban đầu 12

2.2.2 Xác định các loại tổn thất nhiệt độ trong các nồi 13

2.2.2.1 Tổn thất do nồng độ gây ra ( ') 13

2.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ( '') 15

2.2.2.3 Tổn thất do trở lực của đường ống ( ''') 17

2.2.3 Tổn thất cho toàn bộ hệ thống 17

2.2.4 Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi 17

2.2.5 Cân bằng nhiệt lượng 18

2.2.5.1 Tính nhiệt dung riêng 18

2.2.5.2 Tính nhiệt lượng riêng 18

2.2.5.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 19

2.3 Tính bề mặt truyền nhiệt 21

2.3.1 Độ nhớt 21

2.3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 22

2.3.3 Hệ số cấp nhiệt 23

2.3.3.1 Về phía hơi ngưng tụ 24

2.3.3.2 Về phía dung dịch sôi 25

2.3.4 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi 25

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHÍNH 31

3.1 Buồng bốc 31

3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 31

3.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt 31

3.2 Buồng bốc 32

3.2.1 Đường kính buồng bốc 32

3.2.2 Chiều cao buồng bốc 32

3.3 Đường kính các ống dẫn 33

3.3.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt 33

3.3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứ 34

3.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch 34

3.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng 36

3.4 Chiều dày vĩ ống 37

3.5 Chiều dày lớp cách nhiệt 37

3.5.1 Chiều dày lớp cách nhiệt của ống dẫn 37

3.5.1.1 Chiều dày của ống dẫn hơi đốt 38

3.5.1.2 Chiều dày của ống dẫn hơi thứ 38

3.5.1.3 Chiều dày của ống dẫn dung dịch 39

3.5.2 Tính chiều dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 40

3.6 Chọn mặt bích 40

3.6.1 Chọn mặt bích buồng đốt 40

3.6.2 Chọn mặt bích buồng bốc 40

3.7 Chọn tai treo 42

3.7.1 Tai treo buồng đốt 42

3.7.2 Bề dày đáy buồng đốt 43

3.7.3 Bề dày nắp buồng đốt 46

3.7.4 Bề dày nắp buồng đốt 47

3.7.5 Bề dày nắp buồng bốc 50

3.7.6 Khối lượng lớp cách nhiệt 52

3.7.7 Khối lượng cột chất lỏng 53

3.7.8 Khối lượng cột hơi 53

3.7.9 Khối lượng bích 53

3.7.10 Khối lượng ống truyền nhiệt 54

3.7.11 Khối lượng vĩ ống 54

CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ PHỤ 56

4.1 Cân bằng vật liệu 56

4.1.1 lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ 56

4.1.2 Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị 56

4.2 Kích thước thiết bị ngưng tụ 57

4.2.1 đường kính thiết bị ngưng tụ 57

4.2.2 Kích thước tấm ngăn 57

4.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 59

4.2.4 Kích thước ống baromet 60

4.3 Chọn bơm 62

4.3.1 Bơm chân không 62

4.3.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 63

4.3.3 Bơm dung dịch lên thùng cao vị 66

4.3.4 Bơm dung dịch từ nồi 3 vào nồi 2 68

4.3.5 Bơm dung dịch từ nồi 2 vào nồi 1 70

4.3.6 Bơm dung dịch từ nồi 1 sang bể chứa sản phẩm 72

CHƯƠNG V KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, công nghiệp hóa chất đã trở thành một phần không thể thiếu trong nềncông nghiệp thế giới Đó là một ngành công nghiệp hiện đại và luôn đòi hỏi sự đổi mới,sản xuất ra các loại hóa chất khác nhau, phục vụ cho cuộc sống hằng ngày cũng như cácngành công nghiệp khác, như công nghiệp sản xuất xà phòng, sản xuất vải, giấy,…và cảcông nhệ thực phẩm.Quy trình công nghệ sản xuất ra một sản phẩm luôn phải trải quanhiều giai đoạn phức tạp, trong đó cô đặc luôn là một phần không thể thiếu, đó là mộtgiai đoạn quan trọng và có tính quyết định đến chất lượng cũng như nồng độ sản phẩm

Một trong những hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là NaCl, vì khả năngứng dụng rộng rãi của nó

Trong quy trình sản xuất NaCl, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng

Nó đưa dung dịch NaCl đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu cầu sử dụng đa dạng

và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình kết tinh

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là: Thiết kế hệ thống cô đặc NaCl ba nồi ngược

chiều có buồng đốt treo nhằm cô đặc dung dịch NaCl từ 12% lên 25%.

Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất và công nghệ thực phẩm, việcthực hiện đồ án thiết bị là hết sức quan trọng Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập vàhiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viêntiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị vớicác thông số kỹ thuật cụ thể

Em xin chân thành cảm ơn cô Tống Thị Quỳnh Anh đã chỉ dẫn tận tình trong quátrình em thực hiện đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô kháctrong bộ môn cũng như các anh chị, các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổích trong quá trình hoàn thành đồ án Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên việc thựchiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót; vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp vàhướng dẫn của quý thầy cô giáo và các bạn để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao

1.1.1 Tính chất vật lý cơ bản của NaCl

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

- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày

- Khối lượng riêng dung dịch tại 25% là 1136,52 (kg/m3)

- Muối có vị mặn, vị của muối là một trong những vị cơ bản

- Muối ăn cần thiết cho mọi sự sống của mọi cơ thể sống Muối ăn tham gia vàochức năng điều chỉnh độ chứa nước của cơ thể (cân bằng lỏng)

- Muối còn được dùng làm chất bảo quản thực phẩm (ướp thịt, cá tránh bị

- ươn…) hay dùng làm chất phụ gia thục phẩm Ngoài ra nó còn được ứng dụngtrong ngành công nghiệp hóa chất

- Có rất nhiều dạng muối ăn: muối thô, muối tinh, muối Iôt Nó thu nhận được

từ mỏ muối hay từ nước biển

1.2 CƠ SỞ CỦA LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC

1.2.1 Định nghĩa:

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tankhông bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không,

áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệ thốngnhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vìnhiệt

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân hủy

ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho cácquá trình đun nóng khác

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

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun

sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi

dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ củadung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu

tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp

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 đung nóng một thiết

bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc giánđoạn hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theoyêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết

bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (ápsuất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do

đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặttruyền nhiệt

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay 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 tóm tắtnhư sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưavào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đi vàothiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đềubốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi

là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênhlệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồiphải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làmviệc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

 Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng tháirắn dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặtthoáng chất lỏng

 Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách

ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kếttinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

Dễ bị quá nhiệt cục bộ làm hỏng sản Sản phẩm không bị hỏng do nhiệt

Hiệu suất cô đặc cao Hiệu suất cô đặc thấp

Thiết bị đơn giản Thiết bị phức tạp

1.2.3 Ứng dụng của cô đặc

 Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây

 Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ

1.2.4 Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình:

Người ta có thể phân loại thiết bị cô đặc theo:

 Nguyên lý làm việc: Thiết bị làm việc gián đoạn, làm việc liên tục.

 Theo áp suất làm việc bên trong thiết bị: áp suất dư; áp suất khí quyển; áp suất

chân không

 Theo phương pháp cấp nhiệt: thiết bị dùng hơi (thường được dùng nhiều hơn cả);

thiết bị dùng nước nóng, dầu nóng; thiết bị dùng điện; thiết bị dùng khói của phản ứngcháy

 Theo cấu tạo thiết bị: thiết bị có buồng đốt là giàn ống đứng, nằm ngang, nằm

nghiêng; buồng đốt treo

Ngoài ra đối với loại được đốt nóng bằng hơi nước thường chia làm 6 loại gồm banhóm chủ yếu:

-+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

 Nhóm 3:

Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làmbiến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dungdịch nước trái cây, hoa quả ép…, gồm:

+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôitạo bọt khó vỡ

+ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi íttạo bọt và bọt dễ vỡ

1.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ - THUYẾT MINH QUY TRÌNH

CÔNG NGHỆ

1.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các thiết bị nói trên

ta chọn loại thiết bị cô đặc ba nồi ngược chiều phòng đốt treo

 Ưu điểm:

Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi đầu, ởđây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy Kết quả là hệ số truyền nhiệt trongcác nồi hầu như không giảm đi mấy Ngoài ra lượng bốc hơi ở cuối nồi sẽ nhỏ hơn khi

cô đặc ngược chiều, do đó lượng hơi nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Dung dịch ban đầu trong thùng chứa nguyên liệu (1) được bơm ly tâm (2) bơm lênthùng cao vị (3) qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế (16) sau đó vàothiết bị gia nhiệt (4) Tại thiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi củanồi 3 Sau quá trình gia nhiệt dung dịch được chuyển qua nồi 3 qua cửa số (5) Tại nồi 3dung dịch NaCl bốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ,được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được bơm chân không hút ra ngoài saukhi qua thiết bị thu hồi bọt rồi đi vào thiết bị baromet Nước ngưng tụ nồi 3 sẽ qua cửa(10) ra bể chứa nước ngưng Còn sản phẩm nồi 3 được bơm vào nồi 2 làm nguyên liệu đểtiếp tục quá trình cô đặc, và sản phẩm của nồi 2 được bơm đi làm nguyên liệu cô đặc củanồi 1, tiếp tục cô đặc đến khi đạt được nồng độ yêu cầu thì đưa sản phẩm ra ngoài vào bểchứa sản phẩm (17) Ở nồi 1 hơi đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốtchính là hơi thứ của nồi 1, hơi đốt của nồi 3 là hơi thứ của nồi 2, còn hơi thứ của nồi 3 đivào thiết bị ngưng tụ baromet

CHƯƠNG 2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 2.1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU

Mục đích: Tính được lượng hơi đốt và hơi thứ

Số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo dung dịch đầu: 18 tấn/h = 18 000 kg/h

- Nồng độ đầu của dung dịch: 12% khối lượng

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

- Áp suất hơi đốt của nồi 1: 4 at

- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị: 0,3 at

2.1.1.Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống

Gọi: Gđ, Gc: Lượng dung dịch đầu và cuối ( kg/h )

Xđ, Xc: Nồng độ đầu và cuối (% khối lượng )

W: Lượng hơi thứ thoát ra

- Ở đây ta coi quá trình bốc hơi chất hòa tan không mất mát theo hơi thứ

- Phương trình cân bằng vật liệu của quá trình bốc hơi:

W = 18 00 ( 1

-25

12

) = 9360 ( kg/h )

 Vậy lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống là 9360 kg/h

2.1.2 Sự phân phối hơi thứ trong các nồi

- Gọi W1, W2và W3là lượng hơi thứ bốc ra từ các nồi tương ứng là 1, 2 và 3

- Chọn phân bố hơi thứ theo tỉ lệ:

= 1,15

Ta có lượng nước bốc hơi qua các nồi:

W = W1+ W2+ W3= W1+

27,11

W +

15,1.27,11

2.1.3 Xác định nồng độ cuối mỗi nồi

Gọi X1, X2, X3là nồng độ tương ứng sau cô đặc các nồi 1, 2 và 3 (% khối lượng)

 Nồi 1:

X1= X đ

W G

2.2 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Mục đích: Tính được lượng nhiệt cần tiêu tốn, hệ số, nhiệt độ hữu ích Tính được hệ số

truyền nhiệt K để từ đó tính được bề mặt truyền nhiệt

2.2.1 Xác định P và to trong mỗi nồi.

P

 : Hiệu áp suất chung (at)

P1, P2 , P3áp suất hơi đốt nồi 1, 2 và 3 (at)

Pnt áp suất ngưng tụ

- Giả thiết sử dụng hơi đốt để bốc hơi và đun nóng  hơi bão hòa

7,33,04

1 1

1    

509,0

050,1

141,2

3 2 1

Ta có:

nt

P P P

P P P

P P P

3 2 2

2 1 1



3,0509,0809,0

809,0050,1859,1,1

859,1141,24

3 3

2 2 3

1 1 2

P P P

P P P

nt

Gọi t hđ1, t hđ2, t hđ3 và t ntlà nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

Gọi t ht1, t ht2 và t ht3là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2 và 3

 Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 10C ( tổn thất nhiệt dotrợ lực thủy học trong ống dẫn )

Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ cộng thêm 10C

thđ2= tht1- 1

thđ3 = tht2- 1

tht3 = tnt+ 1

tra bảng I.251 ST QTTB T1/312 và I.251 ST QTTB  2 /314

2.2.2 Xác định tổn thất nhiệt trong các nồi

Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm : Tổn thất do nồng độ, tổn thất do ápsuất thủy tĩnh và tổn thất do trợ lực đường ống

2.2.2.1.Tổn thất nhiệt do nồng độ (').

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môinguyên chất hiệu số của nhiệt độ soi của ung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổnthất nhiệt dô nồng độ gây ra

r

T r

T

2 '

2

2,162

 : tổn thất nhiệt độ do áp suất thường áp suất khí quyển) gây ra

r : nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc, J/kg

Ta xác định được tổn thất nhiệt độ 'otheo nồng độ dung dịch (% khối lượng) theobảng VI.2.STQTTB T2/60

Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3Nồng độ dung dịch % khối

1 1

273

2 , 16 ' '

2 2

273

2 , 16 ' '

3 3

273

2 , 16 ' '

3 Nồi     ' 

3 2 ' 1 '

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra là: 10,954oC

2.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ('')

Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu lớp dung dịch : Ở trên bề mặt thì bằng

áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất trên mặt cộng với áp suấtthủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống Trong tính toán, ta thường tính theo áp suấttrung bình của dung dịch

 Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng:

Ptb= P0 +   

2

2 1

h

h dds.g N/m2

Trong đó:

P0 là áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch

ddslà khối lượng riêng của dung dịch khi sôi kg/m3

dds=

2

1 dd

ddlà khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi kg/m3

h1 là chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặtthoáng của dung dịch, giả sử h1= 0,5m cho cả 3 nồi

h2 là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h2= 3 m cho cả 3 nồi

 Để tính nhiệt độ sôi của dd NaCl ứng với áp suất tb dùng công thức Babo

P là áp suất hơi bão hòa trên mặt thoáng của dung dịch at

Pslà áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất at Nội suy từ bảng I.251 STQTTB T1/31

Ứng với x1= 25%  tsôi= 106,9620C (I.204.STQTTB T1/236)

Pht=1,921 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps= 1,329 at (T1/312)

Tra bảng I.31.STQTTB T1/38

Ứng với x2= 17,6% tsôi= 103,9660C (I.204.STQTTB T1/236)

Pht= 0,842 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps= 1,202 at.(I.250 STQTTB T1/312)

Tra bảng I.31 STQTTB T1/38:

2

438,1093

81,9.719,546

Ứng với x3=14,083 %  tsôi=102,839 0C (I.204.STQTTB T1/236)

Pht= 0,314 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps=1,154 at

Tra bảng I.31.STQTTB T1/38:

2

427,1055

81,9.714,527

2.2.5 Cân bằng nhiệt lượng

2.2.5.1 Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)

Tính nhiệt dung riêng của NaCl:

Tính nhiệt dung riêng của NaCl theo công thức:

Mct.Cht= nNa.CNa+ nCl.CCl (I.41.STQTTB T1/152)

Trong đó:

Mct: Khối lượng phân tử NaCl

Cct: Nhiệt dung riêng của NaCl

NNa, nCl: số nguyên tử Na, Cl trong hợp chất NaCl

CNa, CCl: nhiệt dung riêng của các nguyên tố Na, Cl

Theo bảng I.141.STQTTB T1/152 ta có: CNa= CCl= 26000 J/kg.độ

5,3523

Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:

Vì xđ= 12% < 20% nên áp dụng công thức I.43.STQTTB T1/152:

C1= 888,89.0,25 + 4186.( 1 – 0,25 ) = 3161,72 (J/kg.độ)

2.2.5.2 Tính nhiệt lượng riêng

Từ nhiệt độ của hơi thứ và hơi đốt của các nồi ở trên ta xác định được nhiệt lượngriêng, nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ của hơi đốt, hơi thứ theo bảng I.250.STQTTBT1/312 và nhiệt dung riêng của tại nhiệt độ sôi dung dịch theo bảng I.249.STQTTBT1/310

_ Gọi:

I : nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

i : nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)

Tra bảng I.249 STQTTB,T1/310, bảng I.250 STQTTB,T1/312)

Bảng 2.4 Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng của hơi thứ, hơi đốt và nhiệt độ sôi của

dung dịch trong các nồi.

Cn(J/kg.độ) t(oC)

i.103(J/kg) C (J/kg.độ) ts(oC)

1 142,9 2744060 4294,25 118,273 2708580 3161,72 128936

2 117,273 2707180 4245,36 94,303 2669890 3449,64 102,66

3 93,303 2667950 4233,65 69,7 2625770 3596,486 79,857

2.2.5.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng

D1, D2, D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)

Gđ, Gclà lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống (kg/h)

W1, W2, W3là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3 (kg/h)

C1, C2, C3là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1,2,3 (J/kg.độ)

Cđ, Cclà nhiệt dung riêng của dung dịch dịch vào và ra (J/kg.độ)

Cn1, Cn2, Cn3là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ)

I1, I2, I3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, (J/kg)

i1, i2, i3là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, (J/kg)

tđ, tclà nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, (oC)

t1, t2, t3là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở Ptb(oC)

1, 2, 3

   là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, (oC)

Qtt1, Qtt2, Qtt3 là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, (J)

 Phương trình cân bằng nhiệt lượng:  Qvào = Q ra

Bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng của 3 nồi

Nồi 1

Dung dịch mang vào (Gđ(W2+W3)).C2.ts2Ra

Dung dịch mang ra (GđW).C1.ts1Nước ngưng mang ra D1.Cn1. 1Tổn thất nhiệt chung 1 0,05D1(I1-Cn1. 1)

Nồi 2

Vào Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1) D2.I2=W1.i1

Dung dịch ở nồi 1 mang vào (Gđ-W3).C3.ts3

Ra

Dung dịch mang ra (Gđ-(W2+W3)C2.ts2Nước ngưng mang ra D2Cn2 2Tổn thất nhiệt chung 2 0,05D2(I2-Cn2. 2)

Nồi 3

Vào Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2) D3I3=W2i2

Dung dịch nồi 2 mang vào GđCđtđ

ra

Dung dịch mang ra (Gđ-W3)C3ts3Nước ngưng mang ra D3Ccn3 3Tổn thất nhiệt chung 3 0,05D3(I3-Cn3 3)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

)W

( 1 W2 W3G

( 2 W3G

2 1

t

s s

1 2 3

1

0

1 50  0,84.10 ( / ) 20,628

C m

s N C

2 2 3

2

0

2 60  0,99.10 ( / ) 27,784

397 , 1

60 936 , 128

Tra bảng của nước phụ thuộc nhiệt độ

I.102, STQTTB T1/ Trang 94, I.107, STQTTB T1/ Trang 100

C m

s N C

1 2 3

s N C

2 2 3

50 660 ,

Tra bảng của nước phụ thuộc nhiệt độ

I.102, STQTTB T1/ Trang 94, I.107, STQTTB T1/ Trang 100

C m

s N C

1 2 3

s N C

2 2 3

2

2 45  0,651.10 ( / ) 40,413

684,0413,40460,18

4530

2

684 , 0

45 857 ,

.

M C

A:hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước

Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ)

 : khối lượng riêng (kg/m3)

M: khối lượng mol của chất lỏng

Chọn : A = 3,58.10-8

Ta có : M = mi.Mdd+(1-mi).Mnước

Mà ta có:

O H

i đ

i dd i

i

M M

M m

2

x1x

x





Vậy:

 Nồi 1: mi1= 0.093

18

%2515,58

%25

5,58

%25

52 , 1136

%588,14

5,58

%588,14

438 , 1093

18

%801,1115,58

%801,11

5,58

%801,11

427 , 1055

2.3.3 Hệ số cấp nhiệt ()

 Mô tả sự truyền nhiệt qua vách ống:

Thiết bị cô đặc có khu vực sôi bố trí bên trong ống, hơi đốt đi bên ngoài ống nênphía ngoài ống có một lớp nước ngưng tụ Màng nước ngưng này có ảnh hưởng đến quá

trình truyền nhiệt Đồng thời sát thành ống phía bên trong có một lớp cặn dung dịch bámvào, lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.

Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch bên ngoài ống gồm 3 giai đoạn:

 Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt

α 1và nhiệt tải riêng q1(w/m2)

 Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày 

 Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt α 2 và nhiệt tảiriêng q2(w/m2)

Sơ đồ mô tả quá trình truyền nhiệt qua thành ống

( )

i

r A

H t i

 

 (Công thức V.100 STQTTB T2/Trang 28)

Với : r : ẩn nhiệt ngưng (J/kg)

H : chiều cao ống truyền nhiệt (chọn H=3m)

(Tra bảng I.250 STQTTB, T1/Trang 312)

)./(828,1154599

,0.3

10.5,2135.361,194.04,



37,1143099

,0.828,11545 11

,1.3

10.635,2214.53,186.04,



582,11861608

,1.28,10941 12

,0.3

10.072,2277.427,175.04,



506,97609

,0.007,10845 13

565 , 0

2

2 2

d n

d n

 n,n,C n,nlà hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớtcủa nước.

Trong đó : r1: nhiệt trở do lớp nước ngưng

r2: nhiệt trở do lớp cặn của dung dịch bám trên thành ống

δ : bề dày ống truyền nhiệt (δ =2mm)

λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiêt

r3: nhiệt trở qua lớp vật liệu

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3 có λ=50W/m.độ (Tra bảng XII.7,STQTTB,T2/313)

Chọn: r1= 0,232.10-3(m2.độ/W); r3= 0,387.10-3(m2.độ/W)

50

2 10 232

.37,0

10.22,0.298,4264

81,3038

683,935

52,1136

565 , 0

37,11430132

,

Vậy nhiệt tải trung bình là:

751,11402

37,11430132

,113912

458,4223



n

8172,010

.317,0

10.279,0.458,4223

264,3449.432,956

438,1093.683

565 , 0

582,11816920

,

Vậy nhiệt tải trung bình là:

751,116612

582,11816920

,115062

21 11

886,4194

n

9032,010

.312,0

10.356,0.886,4194

486,3596.886,971

427,1055

565 , 0

506,9760545

,

Vậy nhiệt tải trung bình là:

025,96502

506,9760545

,95392

23 13

2.3.4 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi

Xem hệ số truyền nhiệt trong các nồi là như nhau: F1=F2 , khi đó nhiệt độ hữu íchtrong các nồi được tính:

3 1

i

Qi Ki

Qi Ki





 (công thức VI.20,STQTTB,T2/Trang 68)

Trong đó:  thi : nhiệt độ hữu ích trong các nồi

Qi : lượng nhiệt cung cấp

Qi =

3600

. i

i r D

(W/m2)

Di: lượng hơi đốt mỗi nồi

ri: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi

Ki : hệ số truyền nhiệt

2 1

11

= 2648269,142(W/m2)

768,692573,2093

110

.659,01,32591

11

1

1

3 21

Suy ra: 3822,738

786,692

142,2648269

1

K Q

= 2275659,062(W/m2)

375,638487,2002

110

.659,0394,24501

11

1

1

3 22

062,2275659

2

K Q

= 1843261,572(W/m2)

411,532240,1560

110

.659,0141,17291

11

1

1

3 23

572,1843261

,3461767

,3564738

,3822

3

3 2

2 1 1 3

Q K

Q K

Q

n

i

Ta có hiệu số nhiệt độ có ích cho toàn bộ hệ thống là t hi=42,023(oC)

 Nhiệt độ hữu ích của từng nồi là:

- Nồi 1:

∆thi1= 42,023 14,8060C

608,10849

738,

_ Nồi 2:

∆thi2= 42,023 13,8070C

608,10849

767,3564



- Nồi 3:

∆thi3= 42,023 13,4100C

608,10849

104,

 Sai số nhiệt độ hữu ích là:

- Nồi 1: 1= 100% 5,690% 10%

806,14

964,13806,14







- Nồi 2: 2= 100% 5,516% 10%

613,14

613,14807,13

446,13410,13







Như vậy kết quả cuối cùng có thể chấp nhận được

Vậy thực tế bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là:

 Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

2 1

1

1

806,14.768,692

142,2648269

K

Q F

2

2

807,13.375,638

062,275659

K

Q F

3

3

410,13.411,532

572,1843261

K

Q F

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHÍNH 3.1 BUỒNG ĐỐT

3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt:

Chọn loại ống truyền nhiệt có đường kính 38 x 2 mm (theo bảng VI STQTTBT2/Trang 80)

Đường kính trong của ống truyền nhiệt: dt=34 (mm)

Chọn chiều cao của ống truyền nhiệt: h=3(m)

Số ống truyền nhiệt:

16 , 806 14 , 3 3 034 , 0

18 , 258





h d

F n

t

(ống)Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt theo bảng V.11, STQTTBT2/ 48

3.2.2 Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi được xác định:

 Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)

 W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (kg/h)

  : là khối lượng riêng của hơi thứ (kg/mh 3)

 Utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi trong mộtđơn vị thời gian (m3/m3.h)

Theo CT VI.33,STQTTB,T2/Trang 72:

Utt=f.utt(1at) khi P1at

Với utt(1at): cường độ bốc hơi cho phép ở P =1 at

thường thì utt=1600-1700(m3/m3.h)Chọn utt= 1600

Chiều cao không gian hơi: 2

.4

t

kgh kgh

D

V H

4464,42.u

W

tt ht1

147,2.4

Vậy : utt= 1,391.1600 = 2225,6(m3/m3h)

6,2225.493,0

3699,198.u

W

tt ht2

656,2.4

Vậy : utt= 1,54.1600 =2464 (m3/m3h)

2464.196,0

2914,155.u

W

tt ht3

687,5.4

1m s



 ( đối với chất lỏng nhớt, chọn  =0,5-1 m/s)Lại có: Vs= W.v

W: là lưu lượng khối lượng, kg/sv: là thể tích riêng , m3/kg

473 , 0 24 , 1

Chọn d=250(mm) ( Theo bảng XIII.26,STQTTB,T2/Trang 409)

 Nồi 2:

)/(024,13600

3699,1983600

024 , 1 972 , 0

2914,1553600

114 , 2 809 , 0

Đường kính ống dẫn hơi thứ nồi 2 bằng đường kính ống dẫn hơi đốt nồi 3.

W

) ( 499 , 0 20 785 , 0

121 , 5 763 , 0

10 0,92.

1

= 0,943.10-3(m3/kg)

1 785 , 0

10 5.0,943 3

180003600

W-G

Dung dịch ra khỏi nồi 3 có: x2=11,801% và ở nhiệt độ là 79,857(oC)

1

= 0,949.10-3(m3/kg)

1 785 , 0

10 9.

3,439.0,94 3

m

Chọn d=80(mm), dn= 89 (Tra bảng XIII.26,STQTTB,T2/Trang 409)

3.3.3.4 Ra khỏi nồi 2 vào nồi 1

Lưu lượng khối lượng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2 là:

,291418000

3600

-W-WG

1

= 0,944.10-3(m3/kg)

1 785 , 0

10 3,41.0,944 3

m

Chọn d=70(mm), dn= 76 (Tra bảng XIII.26,STQTTB,T2/Trang 409)

3.3.3.5 Ra khỏi nồi 1 đến thùng chứa sản phẩm

Lưu lượng khối lượng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1 là:

,2914198

,369918000

3600

W W-WG

1

= 0,891.10-3(m3/kg)

1 785 , 0

10 2,4.0,891 3

D

Ta có t=142,9(oC)

=1,083.10-3(m3/kg)

1 785 , 0

10 1,24.1,083 3

10 5.

10 8.

Ống dẫn nguyên liệu vào

3.5 Chiều dày lớp cách nhiệt

Để nhiệt truyền qua thành thiết bị hay ống dẫn thoát ra ngoài không khí không làmtổn thất nhiệt lượng, ta phải bọc thiết bị hay ống dẫn bằng một vật liệu dẫn nhiệt kém gọi

là lớp cách nhiệt

3.5.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn

Bề dày lớp cách nhiệt bọc các ống dẫn trong điều kiện cấp nhiệt ra ngoài không khíchuyển động tự do, nhiệt độ môi trường xung quanh khoảng 20 (oC) được tính theo côngthức:

) ( 8 ,

2 1,5

3 , 1 2 35 , 1 2 , 1

m q

t

d n  T

  ( CT V.137,STQTTB,T2/ Trang 41)

Trong đó:

dn: là đường kính ngoài của ống dẫn (không kể lớp cách nhiệt)

: là hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt (W/m.độ)q: là nhiệt tổn thất tính theo 1 m chiều dài ống (W/m)

tT2: là nhiệt độ mặt ngoài của ống kim loại chưa kể lớp cách nhiệt (oC)Chọn chất cách nhiệt là bông thủy tinh, với:

9,142.0,0372.3778,

3 , 1 35 , 1 2

, 1