Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaCl, 1 nồi, liên tục

Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mụcđích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng hoặc để tách các chấtrắn hòa tan trường hợp này có kèm theo quá trình kết tinh, ví

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

I. GIỚI THIỆU MỞ ĐẦU

Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹthuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dungdịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chấtrắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theoyêu cầu mong muốn

Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịchhóa chất là thiết bị cô đặc Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và đượcphân loại theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết bị cô đặcống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết bị

cô đặc tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến Vìthiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sữa chữa, hiệusuất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu Trong thực

tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi

để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quátrình sản xuất

Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm là một môn họcgiúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị hay hệthống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, có những kỹ năngtính toán cần thiết sau khi ra làm việc thực tế Làm đồ án giúp chosinh viên biết hệ thống hóa kiến thức đã được học vào trong thực tế,mỗi sinh viên sẽ tự biết sử dụng trong việc tra cứu các thong số cầnthiết, vận dụng đúng các kiến thức đã được học trong tính toán mộtcách chính xác, tỉ mỉ từng bước tránh những sai sót đáng tiếc về

sau, nâng cao kỹ năng trình bày và đọc được bản vẽ thiết bị mộtcách có hệ thống.

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế thiết bị cô đặc NaCl một nồi từnồng độ 5% đến 20% với năng suất 1500 kg/h tính theo nguyên liệuđầu vào

NaCl là khối tinh thể màu trắng, có vị mặn, tan trong nước và phân lythành ion

Là thành phần của muối ăn hằng ngày

Khối lượng riêng của dung dịch 5% là 1035 (kg/m3)

 Những biến đổi xẩy ra trong quá trình cô đặc:

Trong quá trình cô đặc thì tính chất cuả nguyên liệu luôn luôn thayđổi, thơi gian cô đặc càng lâu làm cho nồng độ dung dịch tăng lêndẫn đến tính chất cũng có sự biến đổi theo khi nồng độ tăng lênlàm cho hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ sốtruyền nhiệt giảm đi Đồng thời các đại lượng như khối lượngriêng, độ nhớt, độ sôi, tổn thất nhiệt lại tăng lên

Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mụcđích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng hoặc để tách các chấtrắn hòa tan (trường hợp này có kèm theo quá trình kết tinh), ví dụ:

cô đặc dung dịch đường, cô đặc xút, cô đặc các dung dịch muối…

Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khác nhau Khi làmviệc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở; cònkhi làm việc ở các áp suất khác ta dùng thiết bị kín

Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc hệthống cô đặc nhiều nồi

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏngsang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phầncủa nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chât lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thìmột cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường làkết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và

áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đóxảy ra ở nhiệt đọ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

3.2.1. Phân loại.

Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau:

- Theo cấu tạo:

+ Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng côđặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tựnhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

• Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuầnhoàn trong hoặc ngoài

• Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt)

+ Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốcdung dịch từ 1,5 – 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăngcường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao,giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

• 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 tránhtiếp xúc lâu làm biến chất sản phẩm Đặt biệt thích hợp chho cácdung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, nước ép hoaquả… Gồm:

• Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dungdịch sôi tạo bọt khó vỡ

• Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dungdịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ

- Theo phương pháp thực hiện quá trình:

+ Cô đặc ở áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suấtkhông đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dungdịch để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thờigian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt được làkhông cao

+ Cô đặc ở áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới

100oC, áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn sựbay hơi nước liên tục

+ Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồikhông quá lớn và sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể côchân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt

có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quảkinh tế

+ Cô đặc liên tục: cho kết quả sản phẩm tốt hơn và quá trình cô đặc

ổn định hơn cô đặc gián đoạn và có thể áp dụng điều khiển tự độngnhưng chưa có cảm biến tin cậy

- Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng

- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt),bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…)bằn dòng điện

- Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm

3.2.2. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt.

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 khibay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lựcbên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượngthực hiện quá trình này.

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thànhtrong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệchkhối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sựtuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo(protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều

sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độsản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động giántiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy.Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả củathiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiệnđại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được đặt racho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn,chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

3.2.4. Cấu tạo của thiết bị cô đặc

3.2.4.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet Bộ phận tách giọt

có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo vàchảy trở về đáy phòng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tớinồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm,đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết

bị Còn với quá trình làm việc gián đoạn thì dung dịch được đưavào thiết bị gián đoạn và sản phẩm cũng được lấy ra gián đoạn Tốc

độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng

và quá trình đóng cặn trên bề mặt cũng giảm Tốc độ tuần hoàn loạinày thường không quá 1.5m/s.

Dung dịch được bơm vào phòng đốt liên tục và đi trong các ốngtrao đổi nhiệt từ dưới lên phòng bốc, còn hơi đốt được đưa vàophòng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị Dungdịch được đun sôi trong ống truyền nhiệt với cường độ sôi cao vàlên phòng bốc Tại bề mặt thoáng dung dịch ở phòng bốc, dung môitách ra bay lên và đi qua bộ phận tách giọt rồi sang thiết bị ngưng

tụ baromet, còn dung dịch trở nên đậm đặc hơn trở về ống tuầnhoàn ngoài trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục được bơm đưa vàophòng đốt Khi dung dịch đạt nồng độ yêu cầu thì ta luôn lấy mộtphần dung dịch ra ở đáy phòng bốc ra làm sản phẩm Tốc độ dungdịch trong ống truyền nhiệt khoảng từ 1.5-3.5m/s do đó hệ số cấpnhiệt lớn hơn tuần hoàn tự nhiên từ 3-4 lần và có thể làm việc trongđiều kiện nhiệt độ hữu ích nhỏ từ 3-5 độ vì cường độ tuần hoàn chỉphụ thuộc vào năng suất của bơm

Năng suất cao cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn

tự nhiên khó thực hiện

Tốn nhiều năng lượng cung cấp cho bơm

3.2.4.3 Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài

Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài kiểu đứng gồm phòng đốt 1 vàphòng bốc 2, phòng đốt là thiết bị trao đổi nhiệt ống chum, nhưngcác ống truyền nhiệt có thể dài tới 7m, còn trong phòng bốc có bộphận tách giọt 4 và nối giữa hai phòng đốt và phòng đốt có ống dẫn

3 và ống tuần hoàn 5

Dung dịch được đưa vào phòng đốt 1 liên tục và đi trong các ốngtruyền nhiệt, còn hơi đốt được đi vào trong phòng đốt và đi ởkhoảng giữa ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị để đun sôi dung dịch.Dung dịch tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi qua ống 3 vào phòng bốchơi 2, ở đây hơi thứ tách ra đi lên phía trên, còn dung dịch đi theoống tuần hoàn 5 trộn lẫn với dung dịch mới đi vào phòng đốt Khinồng độ dung dịch đạt yêu cầu được trích một phần ra ở đáy phòngbốc làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung dung dịch mới vàothiết bị Do chiều dài ống truyền nhiệt lớn nên cường độ tuần hoànlớn và cường độ bốc hơi lớn

Năng suất cao

Cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo

Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài nằm ngang gồm phòng đốt 1 làthiết bị truyền nhiệt ống chữ U và phòng bốc 2, trong phòng bốc có

bộ phận tách giọt

Dung dịch được đưa vào thiết bị và đi vào ống truyền nhiệt chữ U

từ trái sang phải ở nhánh dưới lên nhánh trên rồi lại chảy về phòngbốc ở trạng thái sôi, dung môi tách ra khỏi dun dịch bay lên qua bộphận tách giọt và ra ngoài, tháo phần dung dịch tăng dần tới nồng

độ yêu cầu, sau đó tháo phần dung dịch ra làm sản phẩm và tiếp tụccho dung dịch mới vào thực hiện một mẻ mới

Phòng bốc có thể tách ra khỏi phòng đốt dễ dàng để làm sạch và sửachữa

Cồng kềnh, cấu tạo phức tạp làm việc gián đoạn, năng suất thấp

3.2.4.4 Thiết bị cô đặc loại màng

phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet, còn dung dịch chảyxuống ống tuần hoàn ngoài và một phần được lấy ra làm sản phẩm,một phần về trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục đi vào phòng đốt.Hoặc có thể tháo hoàn toàn dung dịch đậm đặc làm sản phẩm khichênh lệch giữa nồng độ đầu và cuối yêu cầu không lớn Thiết bịnày có hệ số truyền nhiệt lớn khi mức chất lỏng thích hợp, nếu mứcchất lỏng quá cao thì hệ số truyền nhiệt giảm vì tốc độ chất lỏnggiảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp thì phía trên sẽ khô,khi đó quá trình cấp nhiệt ở phía trong ống nghĩa là quá trình cấpnhiệt từ thành ống tới hơi chứ không phải lỏng do đó hiệu quảtruyền nhiệt giảm đi nhanh chóng.

3.3.1. Thiết bị chính.

Trong công nghiệp hóa chất thường dung các thiết bị cô đặc đunnóng bằng hơi Loại này gồm các phần chính sau:

1 Ống nhập liệu, ống tháo liệu

2 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

3 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

4. Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.

5. Thiết bị gia nhiệt

6. Thiết bị ngưng tụ baromet

7. Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị

8. Bơm tháo liệu

9. Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

10. Bơm chân không

11. Các van

12. Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

3.3.3 Các loại vật liệu dùng để chế tạo thiết bị có thể dùng để chế tạo thiết bị.

Vật liệu dùng để chế tạo thiết bị sử dụng vật liệu làm bằng thép

không gỉ Vật liệu này có thể chịu nhiệt và không bị ăn mòn bởi Nacl

và giá thành cũng rẻ hơn nhiều so với các loại vật liệu khác

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

- Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.

- Đơn giản, dễ sữa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt

- Phân bố hơi đều

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

- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo

- Tổn thất năng lượng (do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất)

- Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng

Mục đích cô đặc dung dịch NaCl từ 5% đến 20%, với đặc điểm nguyênliệu NaCl là muối trung tính, tính chất hóa học, vật lý ít bị biến đổi khi côđặc ở nhiệt độ cao, độ nhớt dung dịch không cao có thể tuần hoàn tự nhiênqua bề mặt truyền nhiệt Vì vậy lựa chọn thiết bị cô đặc có buồng đốttrong, ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn tự nhiên, làm việc xuôi chiều

Ưu điểm của thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trungtâm là cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, chiếm ít diện tích, cóthể cô đặc dung dịch có nhiều váng cặn

Do dung dịch có nồng độ và độ nhớt dung dịch tương đối thấp, nếu

sử dụng hệ thống cô đặc gián đoạn không cần thiết trong trường hợpnày vì cô đặc gián đoạn dùng khi cần tăng nồng độ cao đến mức keo,sệt, paste 1- thùng chứa dung dịch; 2- buồng đốt; 3- thiết bị cô đặc;4-Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng; 5- thùng chứa nước; 6- thùng

chứa hơi thứ ngưng; 7- bơm dung dịch; 8- bơm nước; 9- Bồn caovị;10- thùng chứa nước ngưng tụ; 11- ratomet (lưu lượng kế); 12- thùngchứa sản phẩm; 13- thùng tháo nước ngưng;

Thiết bị ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng, tuy nhiên trong trường hợp nàychọn thiết bị ngưng tụ là thiết bị ngưng tụ baromet kiểu khô Đây là thiết bịngưng tụ kiểu trực tiếp, nó thông dụng trong ngành hóa chất và thực phẩm,Chất làm lạnh là nước Quá trình tiến hành bằng cách cho hơi nước tiếp xúctrực tiếp với nhau Hơi cấp ẩn nhiệt ngưng tụ cho nước và ngưng tụ lại, nước

lấy nhiệt của hơi và nóng lên, cuối cùng tạo thành một hỗn hợp chất lỏng đãđược ngưng tụ Nước làm lạnh được cho đi từ trên xuống, hơi đi từ dưới lên

để làm nguội và ngưng tụ chảy dọc xuống tự do còn khí không ngưng đượchút ra theo một đường khác

 Ưu điểm của thiết bị kiểu khô

Nước làm mát tiếp xúc trực tiếp với hơi nên hiệu quả ngưng tụ cao

- Cấu tạo đơn giản và dễ lắp đặt

- Chống ăn mòn, năng suất cao

- Nước ngưng tự chảy ra được không cần bơm nên ít tốn năng lượng

- Nhược điểm của thiết bị kiểu khô: thiết bị cồng kềnh

Do nguồn nguyên liệu là dung dịch muối loãng 5%, trong khi đónồng độ muối của nước biển khoảng 3,5 – 4%, do vậy để thuận tiệncho việc sử dụng nguồn nguyên liệu thì nhà máy nên đặt ở gần biển

Do ở gần biển nên nhiệt độ trung bình khoảng 250C, độ ẩm khoảng77%

Các thông số và số liệu ban đầu:

Dung dịch cô đặc: NaCl

tnt : nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pnt trong thiết bị ngưng

- Lưu lượng dung dịch cuối thu được:

- Lượng hơi thứ bốc ra:

∆’ = ∆’0 f (VI 10, STQTTB T2, 59)

- Trong đó: ∆’0 : Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường

f : là hệ số hiệu chỉnh

với

(VI.11, STQTTB T2, 59)

Với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,0K

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/Kg

- Theo bảng tra tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ a ( % về khối lượng) ở

áp suất thường ( STQTTT T2, TS Trần xoa, TS Nguyễn Trong Khuôn)

- Tại nhiệt độ tnt = 98,1 0C suy ra : f = 0.98 ( theo bảng điều chỉnh

1.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh.

- Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh ∆’’( tổn thất nhiệt độ do ápsuất thủy tĩnh tăng cao)

H0 : chiều cao của ống truyền nhiệt

�dm: khối lượng riên của dung môi ở tsdm

- Chọn : h0 = 1,5 m ( là chiều cao của ống truyền nhiệt, m)

h1 = 30 % h2 = 0,3 * 1,5 = 0,45 m ( là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m)

1.4 Cân bằn nhiệt lượng.

1.4.1 Nhiệt dung riêng.

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau:

C = 4186.(1 - x), (J/kg.độ); ( I.43, STQTTB T1, 152)

Với : x – nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%) :

Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186.(1 - 0,1) = 3767,4 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không chứa nước) (J/kg.độ)

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

MNaCl Cht = const

MNaCl : khối lượng mol của muối NaCl

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

ci : nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, (J/kg nguyên

tử.độ) (bảng I.141, ST 1,152)

- với : CNa =28320 (J/kg nguyên tử.độ); CCl = 33949 (J/kg nguyên tử.độ)

- với NaCl :

 Cht = 1064,4 (j/kg*độ)vậy :

Cc = Cht xc + 4186 ( 1- xc) = 1064,4.0,4 + 4186.(1 – 0,4) = 3561,6 (J/kg.độ)

1.4.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

- Cân bằng nhiệt lượng: ∑ nhiệt vào = ∑ nhiệt ra

+ nhiệt lượng vào gồm có:

Nước ngưng tụ: DcθSản phẩm mang ra: (Gđ –W)Cc tc( W )Nhiệt cô đặc: Qcđ

- quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1

• Giai đoạn 2: dẫn nhiệt qua thành ống

• Giai đoạn 3: nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2

1.5.1 Hệ số cấp nhiệt α 1 , phía hơi ngưng tụ.

- Hệ số cấp nhiệt α1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số α1 đối với hơi bão hòa ngưng tụ được tính theo công thức (V.101, STQTTB T2, 28)

α1 = 2,04.A

4

1

t H

r

∆

, w/ m2.độ

- Với:

r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = 2m)

A: trị số phụ thuộc t m

25 , 0 3

λ ρ

- chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, STQTTB T2, 4)

→ r1 = 0,464.10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ/W)

Dung dịch cần cô đặc là NaCl theo (V.I, STQTTB T2, 4)

→ r2 = 0,913.10-3 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.độ/W).

- chọn bề dày của ống truyền nhiệt δ = 0,002 ( m ), vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép crôm – niken – titan Mã hiệu ( 1X18H9T ) và hệ số dẫn nhiệt tại

Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống

thì hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi được tính theo công thức (VI.27,

STQTTB T2, 71):

Ta có

435 , 0 2

565 , 0

dd n

dd n

dd n dd

C

C

µ

µρ

ρλ

λαα

- Theo công thức V.91, STQTTB, T2/26

αn = 0,145 ∆t22,33.p0,5 (W/m2.độ)

- Trong đó:

λdd, ρdd, µdd, Cdd lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, độ nhớt của dung dịch

λn, ρn, µn, Cn lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, độ nhớt của nước

- chọn nhiệt độ tính toán α2 theo nhiệt dộ cuối tc= 105,2 0C

ta có : λn= 2,08.10-2.1,163 = 0,024 (W/m.độ) (I.129, STQTTB T1, 133)

ρn = 954,55 (kg/m3) ( I.5, STQTTB T1, 11)

Cn= 0,5 * 4,1868.10-3= 2,09.10-3 ( J/kg.độ ) (I.149, STQTTB T1, 168)

dn - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m

H - chiều cao của một ống truyền nhiệt, m

- chọn ống truyền nhiệt có kích thước: 40 x 2 (mm) và chiều cao: 150( cm)

dn = 40 + 2*2 = 44 mm = 44.10-3 m

 Số ống truyền nhiệt là: n = 33,15 / ( 3,14 * 1,5 *44.10-3 ) = 160,7 ( ống)

- chọn theo tiêu chuẩn (V.11, STQTTB T2, 48) nt= 169 (ống), chọn cách sắp xếp ống theo hình sáu cạnh

→ phải bỏ đi hai hình lục giác tính từ vị trí trung tâm số ống truyền nhiệt

cần phải lắp thêm vào chính bằng số ống trên hình lục giác đã bỏ đi, cụ thể sẽ là 19 (ống) (chi tiết được thể hiện trong bản vẽ kĩ thuật)

2.1.2 Đường kính buồng đốt.

- đường kính trong của buồng đốt của thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm ( khi xếp ống theohình lục giác đều ) được tính theo (5.10,QTTB T5, 155) công thức:

Sin α = sin 600 do sắp xếp theo hình lục giác đều

Trong đó : Dt - đường kính trong của thiết bị, m

φ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

P – áp suất bên trong của thiết bị, N/m2

C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dàytấm vật liệu theo (XIII.9, STQTTB T2, 364) ta có: C3 = 0,4 (mm) đối với thép cán loại dày 4 (mm)

vậy: C = 1 + 0,4 =1,4 (mm)

∗ Ứng suất kéo : [ σk] = (XIII.1, STQTTB T2, 355)

với: giới hạn bền khi kéo σK = 550.106 (N/m2) (XII.4, STQTTB T2, 309)

hệ số an toàn theo giới han bền kéo nb = 2,6 (XIII.3, STQTTB T2, 356)

hệ số điều chỉnh η = 0,9 (XIII.2, STQTTB T2, 356)

→ [σK] = 190,4.106 (N/m2)

∗ Ứng suất chảy : [ σc] = (XIII.1, STQTTB T2, 355)

với: giới hạn khi chảy σC = 220.106 (N/m2) (XII.4, STQTTB T2, 309)

hệ số an toàn theo giới hạn khi chảy nC = 1,5 (XIII.3, STQTTB T2, 356)

hệ số điều chỉnh η = 0,9 (XIII.2, STQTTB T2, 356)

→ [σC] = 132.106 (N/m2)chọn giá trị bé hơn [σC] = 132.106 (N/m2) để tính bề dày thân hình trụ

áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1

với: P1 - áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρgH

tại Pmt = Phđ = 3 (at) → ρ = 1,618 (Kg/m3) (I.251, STQTTB T1, 315)

→ P = 3.9,81.104 +1,618.9,81.1,5 = 441,46.103 (N/m2)

chọn hệ số bền của thành theo phương dọc – φ = 0,9 (XIII.8, STQTTB T2, 362)

S = 269,1 > 50 nên có thể bỏ p ở mẫu số của công thức 1

- Chiều dày của thân là: S = = 1,4.10-3

= 2,9.10-3 (m) → lấy S = 4 mm

- Kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi nước (XIII.26, STQTTB T2, 365)

σ =

với áp suất thử tính toán P0 được xác định theo công thức: P0 = Pth + P1, (N/m2)

Pth – áp suất thủy lực theo (XIII.5, STQTTB T2, 358)

chọn đáy trong thiết bị cô đặc một nồi có dạng hình nón, đáy nón có gờ,

làm bằng thép crôm – niken – titan Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125,

STQTTB T1, 127), góc đáy bằng 600 (XIII.21, STQTTB T2, 394)

Dt (mm) H (mm) chiều

cao hình nón

D (mm) đườngkính lỗ ở tâm đáy

Xác định chiều dày đáy theo các công thức (XIII.52 và XIII.53,

STQTTB T2, 399) và lấy kết quả tính toán của công thức nào cho giá trị

lớn hơn:

S =

- Các đại lượng P, φh, φ, C tính toán như với thân hình trụ chịu áp suất trong.

- từ kết quả tính toán trên buồng đốt ta có:

C = 1,4 (mm), φh = 0,9

- áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1

với: P1 – áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρddsgH

tại Pmt = P0 + ρdds.g.H’(at) với : H’ - chiều cao ống truyền nhiệt