Đồ án cô đặc thtt KNO3

Ngày nay, sự phát triển của công nghiệp hóa chất và thực phẩm ngày càng mạnh. Vì thế nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn là không thể thiếu. Như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệp, quá trình cô đặc đường để tạo độ ngọt thích hợp cũng như các quy trình sản xuất NaOH, KNO3, KOH… Ứng dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, tổng hợp các hợp chất hữu cơ và vô cơ… Để tạo ra được các sản phẩm mong muốn này vấn đề công nghệ là yếu tố then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm. Từ khâu nhập nguyên liệu đến hàng loạt các khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu… Tất cả đều phải được tính toán một cách chi tiết để hạn chế rủi ro xảy ra trong quá trình vận hành.

- Chiều cao ống gia nhiệt H = 2 m.

- Nồng độ đầu của dung dịch là: 10 %

- Nồng độ cuối là: 33 %

- áp suất hơi đốt nồi 1 là: 4,0 at

- áp suất hơi ngng tụ là: 0,4 at

Phần thuyết minh

Ngày giao đề : ……… Ngày hoàn thành : ………

I- GIỚI THIỆU CHUNG

1.1- MỞ ĐẦU

Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế thiết

bị, hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản xuất, sinh viên khoa công Nghệ Hoá học được nhận đồ án môn học“ Qúa trình & Thiết bị công Nghệ Hoá học“ Việc làm đồ án là một công việc tốt giúp cho mỗi sinh viên trong bước tiếp cận tốt với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình“ Cơ sở các quá trinh & thiết bị Công Nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượng kiến thức đó và lượng kiến thức của môn học khác, mỗi sinh viên biết dùng tài liệu tham khảo trong tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong thiết kế,

tự nâng cao kỹ năng vận dụng, tính toán, trình bày nội dung thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm vấn đề thiết kế và chế tạo các thiết

bị phục vụ cho lĩnh vực công nghiệp hóa học là yêu cầu cần thiết đối với các sinh viên được đào tạo chuyên về khối kỹ thuật hóa học Từ cách chọn lựa vật 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… Tất cả đều nhằm mục đích tìm được điều kiện tối

ưu và thích hợp nhất để tạo ra được sản phẩm có chất lượng cao, có hiệu quả kinh tế trong các quá trình chế biến sản xuất

Ngày nay, sự phát triển của công nghiệp hóa chất và thực phẩm ngày càng mạnh Vì thế nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn là không thể thiếu Như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệp, quá trình cô đặc đường để tạo độ ngọt thích hợp cũng như các quy trình sản xuất NaOH, KNO3, KOH… Ứng dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, tổng hợp các hợp chất hữu cơ và vô cơ… Để tạo ra được các sản phẩm mong muốn này vấn đề công nghệ là yếu tố then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm Từ khâu nhập nguyên liệu đến hàng loạt các khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu… Tất cả đều phải được tính toán một cách chi tiết để hạn chế rủi ro xảy ra trong quá trình vận hành

Nắm bắt được những nhu cầu cần thiết trong quá trình chế biến hóa học, cũng như để tiếp cận với quá trình tính toán công nghệ đã được học từ các môn như: thủy cơ, truyền nhiệt, truyền khối Đề tài: Tính toán thiết kế hệ thống

cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm sẽ đóng góp một phần nhỏ để giúp các sinh viên khối kỹ thuật hóa học hình dung một cách rõ ràng và chi tiết hơn về các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực hóa chất, thực phẩm và dầu khí Từ công đoạn chọn vật liệu chế tạo đến các phần tính toán các thiết bị chính và phụ như: buồng đốt, buồng bốc, hệ thống ngưng tụ… Cụ thể phần tính toán chi tiết sẽ được trình bày ở phần nội dung công nghệ

1.2- CÔ ĐẶC

1.2.1- Định nghĩa.

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng việc đun sôi Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hòa tan được giữ lại trong dung dịch Do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng 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

đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ Truyền

nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng

Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quan trọng Nó được ứng dụng với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh )

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

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 thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể gián đoạn hay liên tục

1.2.2- Các phương pháp cô đặc.

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hoặc liên tục Khi 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 giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc

Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt 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 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 (áp suất 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 mặt truyền nhiệt

Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi

ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác Cô đặc chân không cho phép ta

cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …) Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường

Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các 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 các quá trình đun nóng khác

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

1.2.3- Dung dịch cô đặc K N O 3

a/ Giới thiệu về dung dịch KNO 3

Công thức hóa học: KNO 3.

Khối lượng phân tử 101,103 g/mol

Là chất rắn màu trắng, không mùi

Điểm nóng chảy 334 0C

Kali nitrat phân hủy ở nhiệt độ 700 0C tạo thành kali nitrit và giải phóng khí oxi , vậy nó có tính oxi hóa mạnh.

2KNO3 → 2KNO2 + O2

Tỷ trọng 2109 kg/m3 ở 16 0C

Độ hòa tan trong nước: tan nhiều trong nước; thực nghiệm cho thấy:

13,3 g/100 ml ở nước 0 °C; 32 g/100 ml ở nước 20 °C; 36 g/100 ml nước ở

25 °C; 247 g/100 ml nước ở 100 °C

Ít tan trong ethanol, có thể tan trong glycerol, amoni

b/ Ứng dụng của dung dịch KNO 3

+ KNO3 là chất nằm trong 1 phát minh lớn, đó là thuốc súng được

người Trung Quốc tìm ra

+ Muối kali nitrat dùng để:

- Chế tạo thuốc nổ đen với công thức: 75% KNO3, 10% S và 5% C Khi nổ,

nó tạo ra muối kali sunfua, khí nitơ và khí CO2:

2KNO3 + S + 3C → K2S + 3CO2 + N2

- Làm phân bón, cung cấp nguyên tố kali và nitơ cho cây trồng

- Bảo quản thực phẩm trong công nghiệp

- Điều chế oxi với lượng nhỏ trong phòng thí nghiệm

- Điều chế HNO3 khi tác dụng với axit:

H2SO4 + 2KNO3 → K2SO4 + 2HNO3

- Phụ gia thực phẩm(E252)

1.3- SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.

1.3.1- Sơ đồ quy trình công nghệ:

1 - Thùng chứa dung dịch 6 - Buồng đốt 11 - Thùng chứa nước

2 - Thùng cao vị 7 - Thiết bị ngưng tụ kiểu ống 12 - Thùng chứa hơi thứ ngưng

3 - Baromet 8 – Thùng chứa nước ngưng 13 - Bơm nước

4 - Thiết bị gia nhiệt 9 - Thùng chứa sản phẩm 14 - Bơm dung dịch

5 - Thiết bị cô đặc 10 - Thùng chứa nước ngưng tụ

1.3.2- Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc:

Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục :

Dung dịch đầu vào KNO310% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa (1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được cấp nhiệt sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi

đi vào nồi (6) Ở nồi này dung dịch tiếp tục được nung nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nước ngưng Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt

Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt

độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch vào nồi

đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt.

Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (10) Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8) Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng, chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết

bị thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không (11)

Dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2 được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào thùng chứa sản phẩm Nước ngưng tạo ra trong hệ thống được chứa trong các cốc hoặc được tuần hoàn trở lại thiết bị hóa hơi, hoặc đưa đi xử lí

Hệ thống cô đặc xuôi chiều ( hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ nồi

nọ sang nồi kia ) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất Vì vậy khi cô đặc xuôi chiều , dung dịch trước khi vào nồi nấu cần được đun nóng sơ

bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ

* Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều: là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần , nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

II- TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

1 - Thông số ban đầu:

- Dung dịch cô đặc: KNO3

- Nồng độ đầu (xd) : 10 %

- Nồng độ cuối (xc) : 33 %

- Áp suất hơi đốt nồi I: 4,0 at

- Áp suất hơi ngưng tụ : 0,4 at

- Năng suất sản phẩm Gd = 18000 Kg/h

- Chiều cao ống gia nhiệt: H = 2 m

2 - Phương trình cân bằng vật liệu

Gd.xd = Gc.xcTrong đó: Gd , Gc – lượng dung dịch ban đầu (vào) và cuối cùng (ra) [Kg/h]

xd , xc - nồng độ đầu, cuối của dung dịch [% khối lượng]

⇒ Gc = =

33

10.18000

= 5454,55 (kg/h)

3 - Lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống

Từ công thức: Gd = Gc + W W - lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h) ⇒ W = Gd - Gc = 18000 – 5454,55 = 12545,45 (kg/h)

4 - Lượng hơi thứ bốc ra khỏi mỗi nồi

Ta có: WI + WII = W

Chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi I và nồi II là: = 1,0002312

⇒ 1,0002312.WII +WII = W = 12545,45 (kg/h)

⇒ WI = 6273,45 (kg/h) ; WII = 6272 (kg/h)

5 - Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi mỗi nồi

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi I:

xc’ = =

45,627318000

10.18000

− = 15,35 %

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi II:

xc” = =

627245

,627318000

10.18000

−

6 - Áp suất chung của hệ thống, áp suất, nhiệt độ hơi đốt, hơi thứ của mỗi nồi:

- Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:

Theo bài ra áp suất ngưng tụ là: Png = 0,4 at

Áp suất hơi đốt nồi I là: P1 = 4,0 at

Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là:

∆Pt = P1 - Png = 4,0 - 0,4 = 3,6 at Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là: = 2,18584

Mặt khác: ∆P1 + ∆P2 = ∆Pt = 3,6 at

⇒ ∆P1 = 2,47 at

∆P2 = 1,13 at

Áp suất hơi thứ nồi I: P1’= P1 - ∆P1 = 4,0- 2,47 = 1,53 at

Vì hệ thống là hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều, hơi thứ nồi I dùng làm hơi đốt nồi II nên P’1 = P2

Áp suất hơi thứ nồi II: P2’= P2 - ∆P2 = 1,53 - 1,13 = 0,4 at

Dựa vào dữ kiện trên và STQTTB tập I – 314, 315 ta có bảng sau:

P (at) t (oC) P (at) t (oC) P (at) t (oC)

7 - Xác định nhiệt độ tổn thất:

- Tổn thất do nhiệt độ tăng cao (∆’):

Áp dụng công thức của Tisenco

∆’ = ∆ o’.fTrong đó: ∆ o’ - tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường, STQTTB T2- 64

f - hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường

f = 16,2

ti’ : nhiệt độ hơi thứ ở nồi thứ i

ri : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ ti’

Từ các dữ kiện trên và STQTTB tập I ta có bảng sau (Bảng I.212 - I-254):

Bảng số liệu 1:

xc(% kl)

∆ i’(oC)

Từ đây ta có tổng tổn thất nhiệt do nhiệt độ tăng cao

Σ∆’ = ∆ I’ + ∆ II’ = 1,55 + 2,98 = 4,53 ( oC)

- Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆”):

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

2 ).

2

1 0

g h

h P

P tbi = i+ + ρddsi , [N/m2]

Để thuận tiện cho tính toán ta chuyển sang đơn vị tính atm Lúc đó công thức trên trở thành:

4

2 1 0

10 81 , 9 2 ).

2

P

P tbi = i+ + ρddsi , [at]

Với g = 9,81 m/s2 : Gia tốc trọng trường

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

ρddsi : Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi

81,9.01,1052

81,9.71,1051

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

∆”i = ttbi - toi

Trong đó:

ttbi; toi là nhiệt độ ứng với các áp suất Ptbi; Poi

- Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy lực trên đường ống (∆’”):

Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống thường chọn ∆”’i = 1-1,5 oC Để đơn giản ta chọn ∆”’1 = ∆”’2 = 1oC

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống bằng:

Σ∆”’ = ∆”’1 + ∆”’2 = 1 + 1 = 2 [oC]

- Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:

Σ∆ = Σ∆’ + Σ∆” + Σ∆”’ = 4,53 + 5,98 + 2 = 12,51 [oC]

8 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống.

- Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

2

ng i

i T T

T

Theo công thức VI.17 và VI.18 [2-673]

Trong đó:

Ti : Nhiệt độ hơi đốt ở nồi i; oC

Tng : Nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ; oC

- Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:là hệ số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt

Ti và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc: (công thức 8 – [5-103])

i i i i si i

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

Gđ = 18000 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 : Nhiệt 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 ra

Nồi 1:

1 1 1 1

1 1 1

2 1 1 1 2

1 i (G đ W ).C.t s W .i' (G đ W W ).C .t s W.C nc . Q m

Và:

W W

Do đó có thể chọn: tso = ts1 = 115,43 oC

-Nhiệt dung riêng của nước ngưng – tra theo nhiệt độ nước ngưng ở từng nồi – Bảng I.249 STQTTB T1-311, Ta có:

Áp dụng công thức: ( I.41, STQTTB T1, 152)

MKNO3.Cht = ΣCi.niTrong đó:

MKNO3 : khối lượng mol của muối KNO3

Cht : nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học ( J/kg.độ )

ni : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất

Ci : nhiệt dung riêng của các nguyên tố tương ứng ( J/kg.nguyên tử độ )(bảng I.141,ST1,152)

Với CK = 26000 ( J/kg.nguyên tử độ )

CN = 26000 ( J/kg.nguyên tử độ )

CO = 16800 ( J/kg.nguyên tử độ )

Vậy Cht =

3

.

.

KNO

O O N N K K

M

C n C n C

=

101

16800 3 26000 1 26000

Td = 142,9 oC ⇒ i = 2744,06.10 J/kg

T1 = 111,3 oC ⇒ i = 2698,08.10 J/kg (ở đây i’ = i )

T2 = 75,4 oC ⇒ i’ = 2636,64.10 J/kg

• Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh 2 nồi:

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

W

W

− +

−

− +

−

=

θ

) 5,43 3543,45.11 10

2636,64 (

1,3) 4235,21.11 10

2698,08 (

95

,

0

) 5,43 3543,45.11 83,78

3139,2 (

18000 )

83,78 3139,2 10

2636,64 (

12545,45.

3 3

3

− +

−

− +

−

=

= 6251,5 (kg/h)

) (

95 , 0

) (

) '

(

1 1 1

0 0 1 1 1

1 1

1

θ

nc

s s

đ s

C i

t C t C G t C

−

=

) 2,9 4294,25.14 10

2744,06 (

95 , 0

) 43 , 115 3767,4.

5,43 3543,45.11 (

18000 )

5,43 3543,45.11 10

2698,08

θ , oC W, kg/h Sai số

%Giả thiết Tính toán

I 3543,45 4294,25 142,9 6273,45 6251,5 0,35

II 3139,2 4235,21 111,3 6272 6293,95 0,35

Tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi:

WI:WII = 6251,5 : 6293,95 = 1 : 1,00679

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

a Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngưng tụ hơi

2135,5.10 3

) = 9992,6 [W/m2.độ]

α12= 2,04.A2.() = 2,04.183,56.(

2 34 , 2

α2i = 45,3.p i 0,5.∆t 2i 2,33.ψi [W/m2độ]

Trong đó:

Pi : Áp suất hơi thứ <xem bảng số liệu trên >

P 1 = 1,53 at

P 2 = 0,4 at

∆t2i : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch

∆t2i = tT2i – tddi = ∆Ti - ∆t1i - ∆tTi

• Hiệu số nhiệt độ ở 2 mặt thành ống truyền nhiệt

δ : Bề dày ống truyền nhiệt

Chọn bề dày ống truyền nhiệt δ = 0,002 m, vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là

585 , 0

dd nc

dd nc

ρ λ

Trong đó :

λ : Hệ số dẫn nhiệt, [W/m.độ]

ρ : Khối lượng riêng, [kg/m3]

C: Nhiệt dung riêng, [J/kg.độ]

•Khối lượng riêng:

- Với nước: Tra bảng I.5 - STQTTB T1 – 11, 12

(Khối lượng ρ của dung dịch KNO3 theo nồng độ và nhiệt độ)

•Nhiệt dung riêng:

- Của nước: Tra bảng I.147, I.148 -1-165, 166; nội suy ta có:

M C

i i

dd dd dd dd

ρ ρ

→ M = 101a + (1- a).18 = 83a + 18

Nồi 1: x = 15,35 % khối lượng:

a1 = 15,35/10115,35/101+84,65/18 = 0,0313 [% mol] → M1 = 83.0,0313 + 18 = 20,6 Nồi 2: x = 33 % khối lượng:

a2 =

67/1833/101

1052,01

= 0,495 [W/m.độ]

λdd2 = 3,58.10 -8 3139,2.1041,74 3

7,24

dd

ρ , kg/m 3

nc

µ , Cp

dd

µ , Cp

243 , 0 4242

45 , 3543 87

, 946

01 , 1052

242 , 0 21 , 4202

2 , 3139 65

, 974

74 , 1041

1 33 , 2 21 5 ,

q

q-q

=

26380,46

26253,3 26380,46 −

Vậy giả thiết ∆t11, ∆t12 ban đầu chấp nhận được

11 Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi:

qtb2 =

2

23637,523023,19+

r D

= = 4057817,1 [W]

5,

T K

Q F

III - TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

Lựa chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm,tác nhân tải nhiệt là hơi nước bão hòa, hỗn hợp đầu đi trong lòng ống truyền nhiệt, hơi nước đi trong khoảng không gian giữa các ống truyền nhiệt

Yêu cầu:

+ Gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ts1 = 115,43 0C trước khi đưa vào thiết bị cô đặc + Lựa chọn nhiệt độ hơi đốt cung cấp cho thiết bị thd = 142,9 0C

Dung dịch đầu vào KNO3 có các thông số:

Năng suất : Gd = 18000 kg/giờ = 5,0 kg/s

Nồng độ đầu vào : xd = 10 %

Nhiệt độ đầu vào : td = 25 0C

Nhiệt dung riêng : Cd = 3767,4 J/kg.độ

a Lượng nhiệt trao đổi:

Nhiệt độ trung bình giữa 2 lưu thể là:

∆ttb =

c d

c d

t t

t t

2 ( 1.101 QTTB T3- 66 )

∆ttb =

47,27

9,117lg.3,2

47,279,

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

∆t1 : Chênh lệch giữa nhiệt độ hơi đốt và thành ống truyền nhiệt

Ta chọn ∆t1 = 4,2 0C

A: Hệ số phụ thuộc màng nước ngưng tụ tm ,tra ở (II - 29)

ở nhiệt độ tm = thd - 0,5 ∆t1

+ Khi ∆t1 = 4,2 0C ⇒ tm = 142,9 - 0,5.4,2 = 140,8 0C , ta tra bảng và xác định được A = 194,12 (II - 29)

Thay số vào công thức trên ta có:

α = 2,04.194,12

2.2,4

10.5,2135

4 3 = 8892,12 (W/m2 độ)

c.2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1 = α 1 ∆t1 = 8892,12 4,2 = 37346,92 (W)

d Hệ số cấp nhiệt và nhiệt tải riêng về phía dung dịch:

Giả sử chế độ chảy xoáy, thì chuẩn số Reynol >10000 Ta chọn Re = 10100

d.1 Hệ số cấp nhiệt :

Hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

α 2 = 0 , 8 0 , 43 ,25

Pr

Pr Pr Re 021 , 0

o K

2000 = 71,43 > 50 Tra bảng ( 1.3/25/TL3 ) ta được εK= 1 Chuẩn số Pr:

Pr =

λ

µ

ρ ρ

ε CT số ( 1.49/9/TL3 )

Cp : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu C = 3767,4 (J/kg.độ)

µ : Là độ nhớt của hỗn hợp đầu, nội suy theo bảng số liệu ở nhiệt độ :

aKNO3 : nồng độ phần trăm mol của KNO3

→ M = 101a + (1- a).18 = 83a + 18

Ban đầu x = 10 % khối lượng:

a =

90/18 10/101

10/101 + = 0,0194 [% mol]

→ M = 83.0,0194 + 18 = 19,61 (Kg/kmol)

- ρd : là khối lượng của dung dịch đầu vào, tra ở nhiệt độ

- ttb2 = 80,75 0C ; x = 10 % bảng ( I.32 - STQTTB T1-42 ), ta được

ρd = 1031,2 (kg/m3)

Vậy : λ = 3,58.10.3767,4.1031,2.3

61,19

4,

C

λ

µ

δ : Bề dày ống truyền nhiệt

Chọn bề dày ống truyền nhiệt δ = 0,002 m, vật liệu chế tạo thiết bị cô dặc là

ρ ρ

.

M

dt dt

t

ρ ρ

ε

µ

=

3 -8

-3

61,19

1018

1018.3,58.10

,5.100

= 3,68

Vậy hệ số cấp nhiệt phía dung dịch là :

α 2 = 0 , 8 0 , 43 ,25

Pr

Pr Pr Re 021 , 0

o K

= 0,021

0,028

,521 0

.1.10100 3,62

25 , 0 3,68

,62

- Số ống trên hình chéo hình lục giác: b = 2.a – 1 = 2.10 - 1= 19 (ống)

h Đường kính trong của thiết bị đun nóng:

Vậy:

D = 48.( 19 - 1 ) + 4.32 = 992 mm

Vậy: Quy chuẩn Dt = 1000 mm

i Tính lại vận tốc và chia ngăn:

i.1 Vận tốc thực:

d

d t

n d

G

ρ π

ω

.

4 2

4.5

2 = 0,0283 (m/s) i.2 Vận tốc giả thiết:

d gt

d ρ

µ ω

.

Re

= 10,64 (ngăn) Quy chuẩn 11 ngăn

*Tính lại chuẩn số Reynol

Re = = 0 , 885 10 3

11

271 3,14.0,028

4.5

− = 10433,32 >10100 (Đã thỏa mãn)

Vậy kích thước của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là:

+ Bề mặt truyền nhiệt : F = 46,5 m2

+ Đường kính trong của thiết bị : D = 1000 mm

+ Số ống truyền nhiệt : n = 271 ống

+ Số ngăn cần thiết : 11 ngăn

+ Đường kính trong ống truyền nhiệt : d = 28 mm

+ Đường kính ngoài ống truyền nhiệt : dn = 32 mm

+ Chiều cao ống truyền nhiệt : H = 2000 mm

2 Thiết bị ngưng tụ: BAROMET.

- Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp Baromet loại khô, ngược chiều, chân cao để ngưng tụ hơi thứ thoát ra từ nồi II

- Nguyên lý làm việc - ưu nhược điểm:

+ Nguyên lý làm việc chủ yếu là phun nước lạnh vào trong hơi, hơi tỏa ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại Do đó sử dụng để ngưng tụ trực tiếp hơi nước hoặc hơi các chất lỏng không có giá trị hoặc không tan trong nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nước làm nguội

+ Hơi vào thiết bị đi từ dưới đi lên, nước chảy từ trên xuống, chảy tràn qua cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chảy qua các lỗ của tấm ngăn Nước làm nguội và hơi đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí không ngưng đi lên sang thiết bị thu hồi bọt và tập trung chảy xuống ống Baromet Khí không ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chân không

+ ống Baromet thường cao trên 10,5 m để khi độ chân không trong thiết bị có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị

+ Ưu điểm là nước và dịch ngưng tụ chảy ra, không cần phải bơm, năng suất lớn + Baromet trong hệ cô đặc thường đặt sau nồi cuối vì nồi này làm việc ở áp suất chân không

Các số liệu từ kết quả trên:

-Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi II: W2 = 6293,95 kg/h = 1,748 kg/s -Nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi II: i’ = 2636,64.10 J/kg

- ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nồi II: r'2 = 2359,68.10 J/kg

-Nhiệt độ sôi của nồi II: ts2 = 83,78 oC

-Áp suất hơi ngưng tụ: Png = 0,4 at ; Tng = 75,4 0C

-Nhiệt lượng riêng của hơi ngưng tụ nồi II: ing = 2636,64.10 J/kg

2.1 Lượng nước lạnh cần thiết ngưng tụ: G n (kg/s)

Gn = CT số ( VI.51-STQTTB T2 - 84 )

Wn = W2: lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ (kg/s)

tđ ; tc : t0 đầu và cuối của nước làm lạnh (0C)

Chọn tđ = 250C ; tc = 500C

 ttb =

2

1(25 + 50) = 37,50C

Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước ở ttb = 37,50C

Cn = 4178 J/kg.độ ; i = i'2 = 2636,64.103 J/kg

Vậy: Gn =

) 25 50 (

4178

4178.50) -

6,64.10 1,748.(263 3

Wh: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ (m/s)

Wh: phụ thuộc cách phân phối nước trong thiết bị tức là phụ thuộc độ lớn các tia nước

0,2 ÷0,4 at  chọn: Wh = 30 ÷15 m/s

ở Png = 0,4 at  chọn Wh = 22 m/s

Vậy: Dtr = 1,383

22 246 , 0

748 , 1

Trên tấm ngăn được gia công nhiều lỗ

+ Nước làm nguội là nước sạch, chọn đường kính lỗ d = 2 mm

+ Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn lấy là: 40 mm Tốc độ tia nước lấy Wc = 0,62 m/s.

+ Chiều dày tấm ngăn chọn là δ = 3 mm

- Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ bề mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ:

10.63,

2.5 Chiều cao thiết bị ngưng tụ:

- Mức độ đun nóng được tính theo công thức:

d bh

d c

t t

t t

Đường kính tia nước(mm)

Thời gian rơi qua một bậc(s)

- Chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ:

Trong thực tế hơi đốt đi trong thiết bị từ dưới lên sẽ bị giảm dần thể tích Do đó khoảng cách giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên, mức độ giảm ta lấy là

50 mm cho mỗi ngăn Khoảng cách trung bình các ngăn = 300 mm, ta chọn khoảng cách giữa hai ngăn dưới cùng bắt đầu là 450 mm