Cô đặc 2 nồi xuôi chiều ống tuần hoàn cưỡng bức dùng cô đặc dung dịch NaOH

Nội dungThiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều ống tuần hoàn cưỡng bức dùng cô đặc dung dịch NaOH.Các số liệu ban đầu: Năng suất là: 13600 kggiờ. Chiều cao ống gia nhiệt H = 4 m. Nồng độ đầu của dung dịch là: 12 %. Nồng độ cuối là: 30 %. Áp suất hơi đốt nồi 1 là: 4,8 atm. Áp suất hơi ngưng tụ là: 0,28 atm.

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa : Công nghệ Hoá

Giáo viên hướng dẫn : Vũ Minh Khôi

Nội dung

Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều ống tuần hoàn cưỡng bức dùng cô đặc dung dịch NaOH

Các số liệu ban đầu:

- Năng suất là: 13600 kg/giờ

- Chiều cao ống gia nhiệt H = 4 m

- Nồng độ đầu của dung dịch là: 12 %

- Nồng độ cuối là: 30 %

- Áp suất hơi đốt nồi 1 là: 4,8 atm

- Áp suất hơi ngưng tụ là: 0,28 atm.

PHẦN THUYẾT MINH

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

Đồ án môn QT&TB 1

MUÏC LUÏC

I - GIỚI THIỆU CHUNG

1.1- MỞ ĐẦU

Trong ngành 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 trong 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 mẽ Vì thế nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn là không thể thiếu Chẳng hạn như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệp, quá trình cô đặc đường để tạo độ ngọt thích hợp, hay các quy trình sản xuất khác như:NaOH, NH4NO3, KOH…; các 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.Việc nắm bắt được những yêu cầu cần thiết trong quá trình chế biến hóa học cũng như để tiếp cận với cách toán công nghệ đã được học từ các môn học: thủy cơ, truyền nhiệt, truyền khối;

Đề tài: Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn ngoài sẽ bổ sung thêm kiến thức 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, 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

Đồ án môn QT&TB 3

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 1 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

Trong đồ án này ta dùng phương pháp nhiệt tức là dưới tác dụng của nhiệt (đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng của dung dịch (khi dung dịch sôi) Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch Natri sunphat) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp

1.2.3- Dung dịch cô đặc Sodium hydroxide NaOH (Natri hiđroxit)

a/ Giới thiệu về Natri hiđroxit NaOH (Xút, xút ăn da, kiềm).

Công thức phân tử: NaOH.

Khối lượng phân tử: 39,9971 g/mol

Là tinh thể màu trắng, rắn ở nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn

NaOH tan trong nước ở nhiệt độ 20°C, 100 g nước (100 ml) có thể hoà tan

được 111 g NaOH.

Natri hydroxit tinh khiết là chất rắn có màu trắng ở dạng viên, vảy hoặc hạt hoặc ở dạng dung dịch bão hòa 50% Natri hydroxit rất dễ hấp thụ CO2trong không khí vì vậy nó thường được bảo quản ở trong bình có nắp kín Nó phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn, hòa tan

trong etanol và metanol Nó cũng hòa tan trong ete và các dung môi không phân cực, và để lại màu vàng trên giấy và sợi

Điểm nóng chảy ở 318 ĢC

Điểm sôi khoảng 1390 ĢC

Tỷ trọng: 2100 kg/m3

* Tính chất vật lý:

- Entanpi hòa tan ΔHo -44,5kJ/mol

- Ở trong dung dịch nó tạo thành dạng monohydrat ở 12,3-61,8 °C với nhiệt độ nóng chảy 65,1 °C và tỷ trọng trong dung dịch là 1,829 g/cm3

* Tính chất hóa học:

* Phản ứng với các axít và ôxít axít tạo thành muối và nước

Đồ án môn QT&TB 5

NaOH(dd) + HCl(dd) → NaCl(dd) + H2O

* Phản ứng với cacbon điôxít

2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O

NaOH + CO2 → NaHCO3

• Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este:

• Phản ứng với muối tạo thành bazơ mới và muối mới:

2 NaOH + CuCl2 → 2 NaCl + Cu(OH)2↓

b/ Ứng dụng của NaOH:

NaOH là hóa chất cơ bản được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như: công nghiệp nhẹ, công nghiệp hóa chất và luyện kim, dệt, nhuộm, y dược, thuốc trừ sâu, hóa hữu cơ tổng hợp…; hóa chất này ít ứng dụng trong ngành phân bón Ứng dụng NaOH trong phân bón chủ yếu để điều chỉnh pH Khi pha dung dịch phân bón đậm đặc dùng trong trồng cây thủy canh thì có sử dụng NaOH để điều chỉnh pH nếu môi trường nước có pH thấp, thường điều chỉnh pH lên 6 Ngoài ra, NaOH trong một số loại phân bón sinh học có khả năng phân hủy loại bỏ lignin là một trong những thành phần khó phân hủy của chất thải phụ phẩm nông nghiệp khi kết hợp với hiệu ứng nhiệt Trong quá trình phân hủy các hợp chất thải hữu cơ trong phụ phẩm nông nghiệp, NaOH đóng vai trò làm biến đổi cấu trúc của các sợi micel nhờ vào nhóm-OH bậc 1 của glucose tác dụng với NaOH giúp cho quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn Các phân tử cellulose, hemicellulose, lignin bị tác động bởi NaOH sẽ thay đổi cấu trúc và giúp các vi sinh vật trong môi trường dễ dàng hấp thu sử dụng và phân hủy

1.3- SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.

1.3.1- Sơ đồ quy trình công nghệ:

Hình 1: Sơ đồ dây chuyền cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức dung dịch NaOHChú thích

1 Thùng chứa dung dịch đầu 8 Thùng chứa nước

3 Thùng cao vị 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet

4 Lưu lượng kế 11 Thiết bị tách bọt

5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 12 Bơm chân không

6,7 Thiết bị cô đặc 13 Ống tuần hoàn

Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục :

Dung dịch đầu NaOH 12% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị số (3) từ thùng chứa, sau đó chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi 1; ở nồi 1, dung dịch tiếp tục được đun 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 Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua bọt Hơi thứ ra khỏi nồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2 Dung dịch từ nồi 1 tự di chuyển sang nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước

Đồ án môn QT&TB 7

lớn hơn nhiệt độ của nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần phải tiêu tốn thêm 1 lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch Vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu được đun nóng sơ bộ

Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được đưa vào thùng chứa sản phẩm (9) Hơi thứ bốc ra khỏi nồi thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ barômet (10) Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuống, hơi cần ngưng đi từ dưới đi lên, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi vào bơm hút chân không (12)

Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới phòng bốc ở dạng sản phẩm, còn phần lớn lại chảy qua ống tuần hoàn ngoài và trộn lẫn với dung dịch đầu đi qua phòng đốt của thiết bị cô đặc (6, 7)

II- TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

1 - Thông số ban đầu:

- Dung dịch cô đặc: NaOH

- Nồng độ đầu (xd) : 12 %

- Nồng độ cuối (xc) : 30 %

- Áp suất hơi đốt nồi I: 4,8 at

- Áp suất hơi ngưng tụ : 0,28 at

- Năng suất sản phẩm Gd = 13600 Kg/h

- Chiều cao ống gia nhiệt: H = 4 m

2 - Phương trình cân bằng vật liệu

Gd.xd = Gc.xc

Trong 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 = =

30

12 13600

= 5440 (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 = 13600 – 5440 = 8160 (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: = 1,0361

⇒ WI +1,036.WI = W = 8160 (kg/h)

⇒ WI = 4007,86 (kg/h) ; WII = 4152,14 (kg/h)

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

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

xc’ = = 1360013600−4007.12,86 = 17,01 %

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

Đồ án môn QT&TB 9

xc” = = 13600−400713600,86.12−4152,14 = 30 %

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 = 0,28 at

Áp suất hơi đốt nồi I là: P1 = 4,8 at

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

∆Pt = P1 - Png = 4,8 - 0,28 = 4,52 (at) Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là: = 2,07483

Mặt khác: ∆P1 + ∆P2 = ∆Pt = 4,52 at

⇒ ∆P1 = 3,05 at

∆P2 = 1,47 at

Áp suất hơi thứ nồi I: P1’= P1 - ∆P1 = 4,8 - 3,05 = 1,75 (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 = 1,75 - 1,47 = 0,28 (at)

Dựa vào dữ kiện trên và nội suy theo 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’.f Trong đó:

∆ o’ - tổn thất nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp

suất thường, STQTTB Bảng VI.2 - T2 – 67

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 nội suy theo STQTTB tập I (Bảng I.212 - I-254)

Bảng số liệu 1:

Số hiệu xc

(% k.lg)

∆ o’(oC)

t’

(oC)

r.10 3 (j/kg)

∆ i’(oC)

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

Σ∆’ = ∆ I’ + ∆ II’ = 6,94 + 13,28 = 20,22 (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

10 81 , 9 2 ).

Trong đó: Poi : Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng các nồi, (at)

Theo kết quả trên: Po1 = 1,75 at

Đồ án môn QT&TB 11

h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, h1 = 0,5 m

h2 : Chiều cao ống truyền nhiệt, h2 = 4 m

ρddsi : Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi

Tra từbảng I.29 STQTTB T1 - 35, nội suy ta có:

81 , 9 38 , 1138

81 , 9 22 , 1268

Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống thường chọn ∆”’i = 1-1,5 oC Vậy 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∆”’ = 20,22 + 13,09 + 2 = 35,31 (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 , VI.18, VI.19 (2-67)Trong đó:

Ti : Nhiệt độ hơi đốt ở nồi i; oC

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

1 = − = − ' − ∆ ' − ∆ ''

∆T T t s T t - ∆ 1”’ =149,46-115,4 - 6,94 - 2,39 - 1 = 23,73 (oC)

2 2 2 2 2 2

2 = − = − ' − ∆ ' − ∆ ''

∆T T t s T t - ∆ 2”’=115,4 - 66,9 - 13,28 - 10,7 - 1 = 23,52 (oC)Nhiệt độ sôi của từng nồi:

Đồ án môn QT&TB 13

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

Gđ = 13600 kg/h

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

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

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

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

- tso, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch ra khỏi nồi I, nồi II; oC

- θ1, θ2 : Nhiệt độ nước ngưng nồi I, nồi II ; oC

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

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

- Qm1, Qm1 : Nhiệt lượng mất mát ở nồi I, nồi II;

b Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

Được thành lập dựa trên nguyên tắc: Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi raNồi I:

1 1 1 1

1 1 1

2 1 1 1 2

Cũng áp dụng công thức trên ta có:

C1 = 4186.(1 – x) = 4186.(1 – 0,1701) = 3473,96 (J/kg.độ)

Đồ án môn QT&TB 15

Nồi II:

Do xc = 30 % > 20% nên ta áp dụng công thức:

C2 = 4186 - ( 4186 - Cht).xc = Cht.xc + 4186 ( 1 - xc )

Cht - nhiệt dung riêng của chất hòa tan ( J/kg.độ)

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

MNaOH.Cht = ΣCi.ni Trong đó:

M NaOH : khối lượng mol của kiềm NaOH

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 CNa = 26000 ( J/kg nguyên tử.độ )

CH = 9630 ( J/kg nguyên tử.độ )

CO = 16800 ( J/kg nguyên tử.độ )

Vậy Cht= NaOH

.

.

M

C n C n C

n Na Na + H H + O O

16800 1 9630 1 26000

• 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:

Qm1 = 0,05D(i1 – Cnc1 × θ1)

Qm2 = 0,05D(i2 – Cnc2 × θ2)

Thay vào hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng Qua một số phép biến đổi đơn giản ta sẽ có biểu thức:

* 0(,95' ( ) )( (' ))

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

) 73 , 125 3473,96.

10 2620,84 (

) 5,4 4242,18.11 10

2704,56 (

* 95 ,

0

) 73 , 125 3473,96.

88 , 3323,43.91 (

13600 )

88 , 3323,43.91 10

2620,84 (

8160.

3 3

3

− +

−

− +

0 0 1 1 1

1 1 1

θ

nc

s s

đ s C i

t C t C G t C i W D

−

− +

−

=

) 9,46 4310,65.14 10

2752,35 (

95 , 0

) 73 , 125 3683,68 73

, 125 3473,96.

.(

13600 )

73 , 125 3473,96.

10 56 , 2704 ( 4003,6.

3

3

−

− +

ε 2

4152,14

4156,4 4152,14 −

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

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

Đồ án môn QT&TB 17

α1i= 2,04.A.() (W/m2.độ)Trong đó:

∆ : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi

ngưng của nồi i (oC)

2120,54.10 3

) = 8555,17 [W/m2.độ]

α12= 2,04.A2.() = 2,04.185,44.(

4 2 , 2

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

δ : Bề dày ống truyền nhiệt

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

585 , 0

dd nc

dd nc

ρ λ

λ (Kí hiệu: dd: dung dịch ; nc: nước)

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 – 12, nội suy ta có:

(Khối lượng ρ của dung dịch NaOH theo nồng độ, nhiệt độ)

•Nhiệt dung riêng:

- Của nước: Tra bảng I.147, I.148-Sổ tay QTTB tập I -165,166; nội suy ta có:

M C

i i

dd dd dd dd

ρ ρ

a NaOH : nồng độ phần trăm mol của NaOH

→ M = 40.a + (1- a).18 = 22.a + 18

Nồi I: x = 17,01 % khối lượng:

a1 =

/18 99 , 82 17,01/40

17,01/40

+ = 0,084 [% mol] → M1 = 22.0,084 + 18 = 19,848 Nồi II: x = 30 % khối lượng:

a2 =

/18 70 30/40

30/40

+ = 0,162 [% mol] → M2 = 22.0,162 + 18 = 21,564Vậy ta có:

λdd1 = 3,58.10-8.3473,96.1138,38 3

848 , 19

1138,38

→ λdd1= 0,546 [W/m.độ]

λdd2 = 3,58.10-8.3323,3.1268,22 3

564 , 21

dd

ρ , kg/m 3

686 , 0

546 ,

221 , 0 4256

96 , 3473 7

, 938

38 , 1138

6804 , 0

587 , 0

261 , 0 7 , 4209

3 , 3323 05

, 964

22 , 1268

21 = 45 , 3 p ∆t Ψ

α = 45,3.(1,75)0,5 (7,14)2,33 0,5073 = 2962,6 [W/m2độ]

2 33 , 2 22 5 , 0 2

q - q

=

21302,37

21146,5

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

11 Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi:

=

3600

2120,54.10

5 ,

=

3600

2219,88.10

6 ,

* Hiệu số nhiệt độ hữu ích: ∆T*

i

i i

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 = 125,73 0C trước khi đưa vào thiết bị cô đặc + Lựa chọn nhiệt độ hơi đốt cung cấp cho thiết bị thd = 149,46 0C

Dung dịch đầu vào NaOHcó các thông số:

Năng suất : Gd = 13600 kg/giờ = 3,78 kg/s

Nồng độ đầu vào : xd = 12 %

Nhiệt độ đầu vào : td = 25 0C

Nhiệt dung riêng : Cd = 3683,68 ( J/kg.độ )

a Lượng nhiệt trao đổi:

c d

t t

t t

2 ( Bảng 1.101 QTTB T3- 66 )

=

73 , 23

46 , 124 lg 3 , 2

73 , 23 46 ,

t = 149,46 0C → r = 2120,54.103 (J/kg)

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 = 4,4 0C

A: Hệ số phụ thuộc màng nước ngưng tụ tm ,tra ở ( bảng 40/TL3 )

ở nhiệt độ tm = thd - 0,5 ∆t1

+Khi ∆t1 = 4,4 0C ⇒ tm = 149,46 - 0,5.4,4 = 147,26 0C , ta tra bảng T2 – 29 và xác định được: A= 195,09

Thay số vào công thức trên ta có:

α = 2,04.195,09

2 4 , 4

10 54 , 2120 4

3 = 8817,67 (W/m2

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

q1 = α 1 ∆t1 = 8817,67.4,4 = 38797,75 ( 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:

Pr

Pr Pr Re 021 , 0

o K

.độ) ( Trang 235/QTTB T3 ) Trong đó:

εK : hệ số điều chỉnh tính đến chiều dài và đường kính của ống truyền nhiệt

Chọn đường kính trong của ống truyền nhiệt là d = 28 m và chiều dày δ = 2

2000 = 71,429 > 50 Tra bảng ( 1.3/25/TL3 ) ta được εK= 1 Chuẩn số Pr:

ρ ρ

ε CT số ( 1.49/9/TL3 )

Cp : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu C = 3683,68 ( J/kg.độ )

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

a NaOH: nồng độ phần trăm mol của NaOH

→ M = 40.a + (1- a).18 = 22.a + 18

Ban đầu x = 12 % khối lượng:

a =

18 / 88 12/40

ρd = 1092,8 (kg/m3)

Đồ án môn QT&TB 27

Vậy :

λ = 3,58.10.3683,68.1092,8.3

272 , 19

=

0,554

,7.10 0

= 4,654 Chuẩn số P :

P =

t

t pt C

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 thép không gỉ X18H10T có hệ số dẫn nhiệt λ = 46 (w/m2độ)

→ Σ r = 0,662.10-3 [m2độ/W]

Vậy tt2 = thd - ∆t1 - ∑r q1 =149,46- 4,4 - 0,662.10-3 .38797,75 = 119,38 (0C)Các giá trị Cpt ; µt và λt được tính toán ở tt2 = 119,38 0C

λ t 3

M C

dt pt

ρ ρ

⇒ P =

3

.

M

dt dt

t

ρ ρ ε

µ

=

3 -8

-3

272 , 19

1085,5

1085,5

3,58.10

,7.10 0

o K

= 0,021.00,028,554 .1.10100.4,6540,43

25 , 0

4,7

,654 4

*Kiểm tra sai số :

ε =

38797,75

39463,41-

- Số ống trên hình chéo hình lục giác: b = 2.a – 1 = 2.9 - 1= 17 (ống)

h Đường kính trong của thiết bị đun nóng:

D = t.( b-1 ) + 4 dn ( trang 240/QTTB T3 ) Trong đó:

Đồ án môn QT&TB 29

dn : Là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt = 32 mm

Vậy Quy chuẩn Dt = 900 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

d ρ

µ ω

.

Re

.10 10100.1,97 -3

m = = 0,0250,63 = 25,2 (ngăn) Quy chuẩn m = 26 ngăn.

*Tính lại chuẩn số Reynol

Re = = 1 , 97 10 3

26

217 3,14.0,028

4.3,78

− = 10459,5 > 10100 (Đã thỏa mãn)

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

+ Bề mặt truyền nhiệt : F = 35,84 m2

+ Đường kính trong của thiết bị : Dt = 900 mm

+ Số ống truyền nhiệt : n = 217 ống

+ Số ngăn cần thiết : 26 ngăn

+ Đường kính trong ống truyền nhiệt : dt = 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

Đồ án môn QT&TB 31

+ 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 = 4156,4 (kg/h) = 1,155 kg/s -Nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi II: i’ = 2620,84.10 J/kg

-ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nồi II: r'2 = 2395,27 10 J/kg

-Nhiệt độ sôi của nồi II: ts2 = 91,88 oC

-Áp suất hơi ngưng tụ: Png = 0,28 at ; Tng = 66,9 0C -Nhiệt lượng riêng của hơi ngưng tụ nồi II: ing = 2620,84.10 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 = 2620,84.103 J/kg

Vậy: Gn =

) 25 50 (

4178

4178.50) -

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

Thiết bị ngưng tụ làm việc trong khoảng: 0,2 ÷0,4 at  chọn: Wh = 35 ÷15 m/s

ở Png = 0,28 at  chọn Wh = 25 m/s

Vậy: Dtr = 1,383

25 1751 , 0

155 , 1

= 0,71 (m)Quy chuẩn Dtr = 800 mm (Bảng VI.8 - STQTTB T2 - 88 )

+ 50 (mm) (CT số VI.53 – 2 - 85)  b =

2

800

+ 50 = 450 (mm)

- Trên tấm ngăn gia công nhiều lỗ

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

+ 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 = 5 mm

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

f =

c

n W

G 10−3

(m2) (CT số VI.54 – 2 - 85)  f =

62 , 0

10 67 ,

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 = 400 mm, ta chọn khoảng cách giữa hai ngăn dưới cùng bắt đầu là 450 mm

004 ,

0 G n +W2 (CT số VI.57 – 2 - 86).

ω: tốc độ hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet

( 0,5 ÷ 0,6 m/s ) Chọn bằng 0,6 m/s

Gn: lượng nước lạnh tưới vào tháp = 26,67 kg/s

W: lượng hơi ngưng hay chính là hơi thứ ra khỏi nồi II: W = 1,155 ( kg/s )

 d =

6 , 0 14 , 3

) 155 , 1 67 , 26 (

004 ,

= 0,243 (m) Quy chuẩn d = 250 mm

2.7 Chiều cao ống baromet:

H = h1 + h2 + 0,5 (m) (VI.58 – 2 - 86)

+ h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ.

h1 = 10,33

760

CK P

h2 = .( 1 + +∑ )

2

2

ξ λ

d

H g

H: toàn bộ chiều cao ống baromet

λ: Hệ số ma sát khi nước chảy trong ống

d: đường kính trong của ống baromet d = 0,25 (m)

Tính λ: Theo Baziut: 0,25

Re

3614 , 0

= λ

Với: Re = µ

ρ

ω.d. Trong đó:ρ , µ: khối lượng riêng và độ nhớt của nước ở ttb = 37,5 0C

Bảng (I.249 – I - 310) ρnc = 993,1 kg/ m3 ; µ= 0,6875 10-3 N.s/m2

Re = 0 , 6875 10 3

1 , 993 25 , 0 6 , 0

− = 216676,37  λ = 216676,37 0 , 25

3614 , 0

= 0,0168

Vậy: h2 =

81 , 9 2

6 ,

0 2 (2,5 + 0,0168 0,H25) Với: H = h1 + h2 + 0,5

Đồ án môn QT&TB 35