đồ án Tổng hợp cô đặc có phòng đốt ngoài

Đồ án hóa công Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất. Được sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Văn Hoàn em đã thực hiện đồ án với đề tài:“Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dich NH4NO3’’ Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị , hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá trình công nghệ .Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu ,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán và thiết kế,tự nâng cao kĩ năng trình bầy bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Đồng thời, đồ án này còn giúp sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

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

thiết bị, một hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản suất,

một sinh viên khoa Công nghệ Hóa học được nhận đồ án môn học “Quá trình

và thiết bị Công nghệ Hóa học” Việc làm đồ án là một công việc tốt giúp cho

mỗi sinh viên từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối

lượng kiến thức của giáo trình “Các quá trình, thiết bị trong Công nghệ hóa

chất và thực phẩm” Trên cơ sở lượng kiến thức đó và lượng kiến thức của

môn học có liên quan, mỗi sinh viên sẽ thiết kế một thiết bị, một hệ thống thiết

bị để thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật có giới hạn trong các quá trình công

nghệ Qua việc làm đồ án, 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 bản thiết kế theo văn phong khoa

học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống Đồng thời, đồ án này còn giúp

sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở

Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2

nồi, xuôi chiều, làm việc liên tục, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, dùng để cô

đặc dung dịch CaCl2, năng suất 5400kg/h, nồng độ đầu của dung dịch 5% khối

lượng, nồng độ cuối của dung dịch 24% khối lượng, áp suất hơi đốt nồi 1 là

4at, áp suất hơi ngưng tụ là 0,2at

Xin chân thành cảm ơn cô Phan Thị Quyên đã tận tình giúp đỡ, hướng

dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành đồ án Xin

chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong bộ môn Công nghệ Hóa chất và thực

phẩm đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này

Trong quá trình làm đồ án, do hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế

nên em không thể tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót…Vì vậy em kính mong

sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, cô và các bạn sinh viên để đồ án này được

hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC.

Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan (không

hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi Đặc điểm của quá trình cô đặc là

dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung

dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng lên 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 hơi thứ dùng để đun nóng một

thiết bị khác ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ

Cô đặc nhiều nồi:

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý

nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi: nồi đầu

dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này được đưa

vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai sẽ được đưa vào làm

hơi đốt cho nồi thứ ba,…hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống được đưa vào thiết

bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi

nồng độ của dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần Hệ thống

cô đặc nhiều nồi được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất Ưu điểm

nổi bật của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ

chênh lệch áp suất giữa các nồi Nhược điểm của nó là nhiệt độ của nồi sau

thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồng độ nồi trước nên độ nhớt của

dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu

đến nồi cuối

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT CẦN CÔ ĐẶC (CaCl 2 ):

1.2.1 Tính chất vật lí của CaCl 2

 Danh pháp IUPAC: calcium choride Ngoài ra còn có tên gọi khác như:

canxi clorua, canxi (II) clorua, canxi điclorua, F509

 Thuộc tính:

- Dạng CaCl2:

+ Phân tử gam: 119,99 g/mol.

+ Bề ngoài: rắn trắng không màu.

+ Tỷ trọng: 2,15 g/cm3

+ Điểm sôi: > 1,600 0C.

+ Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C)

+ Điểm nóng chảy: 772 0C

- Dạng CaCl2.2H2O – đihdrat

+ Phân tử gam: 147,02 g/mol.

+ Bề ngoài: rắn trắng không màu.

+ Tỷ trọng: 0,835 g/cm3

+ Điểm sôi: > 1,600 0C

+ Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C)

- Dạng CaCl2.6H2O – hexahydrat

+ Phân tử gam: 219,08 g/mol.

+ Bề ngoài: rắn trắng không màu.

+ Tỷ trọng: 1,71 g/cm3

+ Điểm sôi: > 1,600 0C

+ Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C)

Canxi clorua (CaCl2) là hợp chất ion của canxi và clo Chất này tan nhiều

trong nước Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn, chất này có thể sản xuất từ đá

vôi nhưng đối với việc sản xuất sản lượng lớn thì người ta tạo nó như là một

sản phẩm phụ của công nghệ Solvay Do nó có tính hút ẩm cao, người ta phải

chứa muối này trong các dụng cụ đậy nắp kín

1.2.2 Tính chất hóa học của canxi clorua

Canxi clorua có thể phục vụ như là nguồn cung cấp ion canxi trong dung

dịch, chẳng hạn để kết tủa do nhiều hợp chất của canxi là không hòa tan trong

nước:

3 CaCl2 (lỏng) + 2 K3PO4 (lỏng) → Ca3(PO4)2 (rắn) + 6 KCl (lỏng)

CaCl2 nóng chảy có thể điện phân để tạo ra canxi kim loại:

CaCl2 (lỏng) → Ca (rắn) + Cl2 (khí)

1.2.3 Công dụng của canxi clorua:

 Trong công nghiệp:

Hàng triệu tấn canxi clorua được sản xuất mỗi năm, chẳng hạn tại Bắc

Mỹ, lượng tiêu thụ năm 2002 là 1.687.000 tấn (3,7 tỉ pao) Các cơ sở sản xuất

của công ty hóa chất Dow tại Michigan chiếm khoảng 35% tổng sản lượng tại

Hoa Kì về canxi clorua, và nó có nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau:

Do đặc tính hút ẩm mạnh của nó nên không khí hay các loại khí khác có

thể cho đi qua các ống chứa canxi clorua để loại bỏ hơi ẩm Cụ thể, canxi

clorua thông thường được sử dụng để cho vào các ống làm khô để loại bỏ hơi

ẩm trong không khí trong khi vẫn cho khí đi qua Nó cũng có thể cho vào dung

dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng Quá trình hấp thụ nước

là sinh nhiệt và nhanh chóng tạo ra nhiệt độ tới khoảng 600C (1400F) Vì khả

năng này, nó được biết đến như là tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm

Do lượng nhiệt tỏa ra lớn trong quá trình hòa tan của nó, canxi clorua

cũng được sử dụng như là hợp chất làm tan băng Không giống như natri

clorua (muối đá hay halit) phổ biến hơn, nó là tương đối vô hại cho các loại

cây trồng và đất, tuy nhiên, các quan sát gần đây tại bang Washington lại cho

rằng nó có thể gây hại cho các cây thường xanh ở hai bên đường Nó cũng có

hiệu lực hơn natri clorua ở các nhiệt độ thấp Khi được phân phối cho mục

đích này, nó thường được sản xuất dưới dạng các viên nhỏ màu trắng, đường

kính vài milimet

Sử dụng tính chất hút ẩm của nó, người ta có thể dùng nó để giữ một lớp

chất lỏng trên mặt đường nhằm thu hút hết bụi Nó cũng được sử dụng trong

phối trộn bê tông nhằm tăng nhanh quá trình ổn định ban đầu của bê tông, tuy

nhiên ion clorua lại dẫn tới sự ăn mòn của các thanh gia cố bằng thép, vì thế

không nên sử dụng nó trong bê tông chịu lực

Canxi clorua lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấp tới

-520C ( -620F), làm cho nó là lí tưởng để nhồi đầy các lốp không săm bổ sung

như là các đồ dằn lỏng, hỗ trợ cho sức kéo trong điều kiện khí hậu lạnh

Các ứng dụng công nghiệp khác bao gồm sử dụng như là phụ gia trong

hóa dẻo, hỗ trợ tiêu nước trong xử lí nước thải, chất bổ sung trong các thiết bị

dập lửa bình cứu hỏa, phụ gia trong kiểm soát tạo xỉ trong các lò cao, cũng như

làm chất pha loãng trong các loại thuốc làm mềm vải

 Trong phòng thí nghiệm.

Như là một thành phần, nó được liệt kê như là phụ gia thực phẩm được

phép sử dụng tại Liên minh châu Âu để làm phụ gia cô lập và chất làm chắc

với số E la E509 Dạng khan đã được FDA phê chuẩn như là phụ gia hỗ trợ

đóng gói để đảm bảo độ khô (CPG 7112.02)

Canxi clorua được sử dụng phổ biến như là chất điện giải và có vị cực

mặn, được tìm thấy trong các loại đồ uống dành cho những người tập luyện thể

thao và các dạng đồ uống khác, như Smartwater và nước đóng chai của Nestle

Nó cũng có thể sử dụng như là phụ gia bảo quản để duy trì độ chắc trong rau

quả đóng hộp hoặc ở hàm lượng cao hơn trong các loại rau dưa muối để tạo ra

vị mặn trong khi không làm tăng hàm lượng canxi của thực phẩm

Nó cũng có thể dùng để chế biến các đồ thay thế cho trứng cá muối từ

nước hoa quả hay bổ sung vào sữa đã chế biến để phục hồi sự cân bằng tự

nhiên giữa canxi và protein trong các mục đích sản xuất pho mát, như các dạng

brie và stilton Tính chất tỏa nhiệt của canxi clorua được khai thác trong nhiều

loại thực phẩm ‘tự tỏa nhiệt’ trong đó nó được hoạt hóa (trộn lẫn) với nước để

bắt đầu quá trình sinh nhiệt, cung cấp một loại nhiên liệu khô, không nổ, dễ

dàng kích hoạt

Trong ủ bia (đặc biệt là ale và bia trắng), canxi clorua đôi khi được sử

dụng để điều chỉnh sự thiếu hụt chất khoáng trong nước ủ bia (canxi là đặc biệt

quan trọng cho chức năng của enzim trong quá trình ngâm, cho quá trình đông

kết lại của protein trong hầm ủ và trao đổi chất của men bia) và bổ sung độ

cứng vĩnh cửu nhất định cho nước Các ion clorua gia tăng hương vị và tạo

cảm giác ngọt và hương vị đầy đủ hơn, trong khi các ion sulphat trong thạch

cao cũng được sử dụng để bổ sung ion canxi vào nước ủ bia, có xu hướng tạo

ra hương vị khô và mát hơn, với độ đắng cao hơn

 Trong sinh học – y học:

Canxi clorua phẩm cấp y tế có thể tiêm vào đường ven để điều trị giảm

canxi máu (thấp canxi huyết) Nó cũng có thể sử dụng cho các vết đốt hay

châm của côn trùng, các phản ứng mẫn cảm, cụ thể là khi có các đặc trưng như

mày đay (phát ban), ngộ độc magie do dùng quá liều sulphat magie, như là

chất bổ trợ trong kiểm soát các triệu chứng cấp tính trong ngộ độc chì hồi tim

mạch, cụ thể là sau phẫu thuật tim Canxi dùng ngoài đường ruột có thể được

sử dụng khi epinephrin thất bại trong việc cải thiện sự co cơ tim quá yếu hoặc

không hiệu quả Tiêm canxi clorua có thể trung hòa độc tính tim mạch trong

tăng kali máu khi đo bằng điện tam đồ (ECG/EKG)

Nó có thể hỗ trợ cơ tim đối với các mức cao – nguy hiểm của kali đường

huyết trong cao kali máu Canxi clorua có thể dùng để điều trị nhanh độc tính,

ngăn chặn kênh canxi mà không có tác dụng phụ của các loại dược phẩm như

Diltiazem (Cardizem) – giúp tránh các cơn đau tim tiềm tàng

Dạng lỏng trong dung dịch của canxi clorua được sử dụng trong biến đổi

gen của các tế bào bằng sự gia tăng độ thẩm thấu của màng tế bào, sinh ra

năng lực cho việc lấy vào ADN (cho phép các mảnh ADN đi vào trong tế bào

dễ hơn)

Nó cũng có thể dùng trong các bể cảnh để bổ sung có thể sử dụng về mặt

sinh học trong dung dịch cho các sinh vật cần dùng nhiều canxi như tảo, ốc,

san hô …mặc dù việc sử dụng canxi hydroxit hay lò phản ứng canxi là phương

pháp được ưa chuộng hơn trong việc bổ sung canxi Tuy nhiên, canxi clorua là

phương pháp nhanh nhất để tăng nồng độ canxi do nó hòa tan trong nước

1.3 THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HỆ THỐNG CÔ ĐẶC

HAI NỒI XUÔI CHIỀU LÀM VIỆC LIÊN TỤC.

 Sơ đồ dây chuyền sản xuất: (sơ đồ đi kèm)

Trong dây chuyền gồm có các thiết bị sau:

1 Thùng chứa dung dịch đầu

8 Thiết bị ngưng tụ Baromet

9 Bơm chân không

10 Bộ phận thu hồi bọt

11 Thùng chứa sản phẩm

 Nguyên tắc hoạt động:

Dung dịch đầu CaCl2 ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao

vị (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết

bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi

cô đặc (6) Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung 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 cửa 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 thu hồi

bọt (10) nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt

Dung dịch từ nồi cô đặc (6) tự di chuyển qua nồi cô đặc (7) 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 lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi

cô đặc (7) 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

Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm

(11) Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8)

Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh đi từ trên 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 (10) rồi đi vào bơm chân không (9) ra ngoài

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH Các số liệu ban đầu:

Dung dịch cô đặc: CaCl2

Năng suất ban đầu: 9550 kg/h

Nồng độ đầu: 11,3 %

Nồng độ cuối: 33 %

Áp suất của hơi đốt: 4 at

Áp suất của hơi ngưng tụ: 0,29 at

Chiều cao ống truyền nhiệt: 4 m

2.1 XÁC ĐỊNH LƯỢNG HƠI THỨ BỐC RA KHỎI HỆ THỐNG, W:

W: Tổng lượng hơi thứ bốc ra, kg/h

Gd: Lượng dung dịch đầu, kg/h

xd, xc: Nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khốilượng

Ta có: Gđ = 9550 kg/h

xd = 11,3 % khối lượng

xc = 33 % khối lượng

→W= 9550 4275 (kg/h)

2.2 TÍNH SƠ BỘ LƯỢNG HƠI THỨ BỐC RA Ở MỖI NỒI:

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi sau lớn hơn nồi trước Để đảm bảo việc dùng

toàn bộ lượng hơi thứ nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau ta chọn:

W1 : W2 = 1 : 1,03

2.3 TÍNH NỒNG ĐỘ CUỐI CỦA DUNG DỊCH TRONG MỖI NỒI:

Được tính theo công thức VI.2,[2-57]:

Ta có nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi:

2.4 TÍNH CHÊNH LỆCH ÁP SUẤT CHUNG CỦA HỆ THỐNG, ∆P:

Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P là hiệu số giữa áp suất hơi đốt

sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ png

Do đó ta có:

∆P= p1 – png = 4 – 0,2 = 3,8 (at)

2.5 XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ HƠI ĐỐT CHO MỖI NỒI:

- Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là:

∆p1 : ∆p2 = a1 : a2 = 2 : 1

- Áp suất hơi đốt trong từng nồi (pi) được xác định theo công thức:

pi = pi-1 - ∆pi-1 ,at

Tra nhiệt độ hơi đốt Ti của từng nồi dựa vào pi đã tính được ở trên Bằng

cách tra bảng I.251, [1-314] ta có được các nhiệt độ hơi đốt tương ứng như

Ti+1: nhiệt độ hơi đốt trong nồi thứ i+1, 0C

- Áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ( từ đó suy ra nhiệt lượng riêng (

và nhiệt hóa hơi ( ) của hơi thứ theo phương pháp nội suy đồ thị

r.103,J/kg p', at t', 0C i'.103, J/kg r'.103, J/kg

2 1,4667 110,034 2696,335 2233,665 0,2124 60,9 2609,956 2354,794

2.7 TÍNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ CHO TỪNG NỒI:

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ Tổng tổn thất nhiệt độ

này là do nồng đọ tăng cao (∆’), do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’), do trở lực

đường ống (∆’’’)

2.7.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (∆’):

Phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi vào nồng

độ và áp suất của chúng ∆’ ở áp suất bất kì được xác định theo phương pháp

Ti’:nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, K

: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làmviệc, J/kg

:tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt

độ sôi của dung môi ở nhiệt độ nhất định và áp suất khí quyển (tsdd > tsdm )

Giá trị được tra ở bảng VI.2, [2-66]:

2.7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’):

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 của ống

truyền nhiệt Áp dụng công thức VI.12, [2-60]:

Ptbi= Pi’+ , N/m2

Để thuận tiện cho tính toán ta chuyển sang đơn vị at Lúc đó công thức

trên trở thành:

Ptbi= Pi’+ ,at

Trong đó:

Pi’: Áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng, at

h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệtđến mặt thoáng của dung dịch, m

Chọn h1= 0,5 mH: Chiều cao của ống truyền nhiệt, m

H = 6m: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3 Lấy gần đúngbằng 21 khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC:

: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2

Tra bảng I.32, [1-38] ta có khối lượng riêng của dung dịch CaCl2 ở 20ºC:

Nồi 1: x1= 8,1965% → = 1067,6488 (kg/m3)

Nồi 2: x2= 24% → = 1218,22 (kg/m3)

= = 533,8244 (kg/m3)

ttbi, ti’: là nhiệt độ sôi ứng với các áp suất Ptbi, pi’

Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị Đó là đoạn

nối giữa nồi 1 với nồi 2, nồi 2 với thiết bị ngưng tụ Trong giả thiết mục 2.6 khi

tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã chọn = 1,2 0C

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

∑∆”’= ∆1”’ + ∆2”’ = 1,2 + 1,2 = 2,4 (0C)

2.7.4 Tổng nhiệt độ tổn thất:

∑∆ = ∑∆’ + ∑∆” + ∑∆”’

= 6,4003 + 19,4026 + 2,4 = 28,2029 (0C)

2.8 TÍNH HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH CỦA HỆ THỐNG.

2.8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc:

= Ti – Tng - ,0C (VI.17 và VI.18, [2-67])

Trong đó:

Ti: nhiệt độ hơi đốt ở nồi 1, 0C

Tng: nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ, 0C

: tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi, 0C

Ta có: T1 = 142,9 0C

Tng= 59,7 0C

= 28,2029 0C

Vậy = 142,9 - 59,7 - 28,2029 = 54,9971 (0C)

2.8.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:

Là hệ số nhiệt độ hơi đốt Ti và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô

đặc

∆Ti= Ti - tsi = Ti – ti’- ∆i’ - ∆i” , 0CChênh lệch nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:

Bảng tổng hợp số liệu 2

Nồi ∆’, 0C ∆”, 0C ∆”’, 0C ∆T, 0C ts, 0C

2.9 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ĐỂ

TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT D i , LƯỢNG HƠI THỨ W i Ở TỪNG NỒI.

2.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng.

Gd: Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị, kg/h

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

i1, i2: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

i1’,i2’: Nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

 1 ,  2: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, 0C

Co, 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

Qm1,Qm2: Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2

W1 , W2: Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, kg/h

tso, ts1, ts2: Nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2, 0C.

2.9.2 Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng.

Được thành lập dựa trên nguyên tắc :

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

- Nồi 1:

D.i1 G d C0t so W1 i1 '  (G d  W1 )C1 t s1 D.C nc1  1 Qm1

(1)

- Nồi 2 :

W 1i2  (G d  W1 )C1 t s1 W2i2 '  (G d  W1  W2 )C2t s2 W1C nc2  2 Qm2

(2)

Mà ta lại có: W1W 2 W (3)

 Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:

 1 = T1 = 142,9 (0C)

 2 = T2 = 110,034 (0C)

Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn, người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nhiệt

độ càng cao càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt lượng thừa của các

 Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2:

- Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 5 % Áp dụng công thức I.43, [1-152]

Đối với dung dịch loãng (x<0,2):

- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ xc = 24 % Áp dụng công thức I.44,

[1-152] Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2):

C2 = Cht.x + 4186 (1- x) (J/kg.độ)Với Cht là nhiệt dung riêng của CaCl2 khan được xác định theo công thức

I.41, [1-152]:

M.Cht = n1.c1 + n2.c2 Trong đó: M: KLPT của CaCl2, M = 111

2

 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.1 )

Qm2 = 0,05W1(i2 - Cnc2.2 )

Thay vào phương trình cân bằng nhiệt lượng, qua một số phép biến đổi

đơn giản ta sẽ có biểu thức:

1 1 2 2 2 2

1 1 2 2 2

2 2

1 0 , 95 ( ) '

) (

) '

(

s nc

s s

d s

t C i C

i

t C t C G t

C i W

95 , 0

) (

) '

(

1 1 1

0 1 1 1

1 1 1



nc

so s

d s

C i

t C t C G t

C i W

956 , 2609 ( ) 034 , 110 0578 , 4233 10

335 , 2696 ( 95 , 0

) 1434 , 116 8945 , 3842 7935

, 81 0086 , 3350 ( 5400 )

7935 , 81 0086 , 3350 10

956 , 2609 ( 4275

3 3

3 1

2744 ( 95 , 0

1434 , 116 7 , 3976 1434

, 116 8945 , 3842 ( 5400 )

1434 , 116 8945 , 3842 10

9744 , 2697 ( 4955

,

2114

3 3

2.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α 1i khi ngưng tụ hơi.

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 là

∆t1i

- Với điều kiện làm việc ở phòng đốt ngoài thẳng đứng H = 6m, hơi ngưng

bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng, hệ số cấp nhiệt được tính theo

công thức:

25 , 0 1

.(

04 , 2

H t

r A

i

i i

848 , 1

10 665 , 2233 0995 , 183 04 , 2

) / ( 8219 , 8421 6

751 , 1

10 2141 3037 , 194 04 , 2

2 25

, 0 3 12

2 25

, 0 3 11

đô m W

đô m W

- Tùy thuộc cấu tạo thiết bị, giá trị nhiệt tải riêng q, áp suất làm việc, chế độ

sôi cũng như điều kiện tối ưu của chất lỏng mà chọn công thức tính cho

thích hợp:

- Thông thường có thể tính theo theo công thức:

i i i

Ti i i ddi T

 : bề dày ống truyền nhiệt,ta chọn  = 2mm = 0,002 m

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (chọn thép hợp

565 , 0

dd nc

 : khối lượng riêng, kg/m3

C: nhiệt dung riêng, J/kg.độ

ts1 = 116,1434 0C

ts2 = 81,7935 0C

 Khối lượng riêng:

- Với nước: tra bảng I.249, [1–310]:

(Khối lượng riêng của dung dịch CaCl2 tra theo nồng độ và nhiệt độ)

 Nhiệt dung riêng:

- Của nước: tra bảng I.249, [1–311]:

1 

nc

6761 , 0

2 

nc

- Của dung dịch CaCl2 tra theo bảng: I.130, [1–135]:

Theo I.32, [1-123] ta có công thức:

3

.

M C

dd dd dd





A: Hệ số tỉ lệ phụ thuộc hỗn hợp chất lỏng, ta chọn A = 3,58.10-8

M: Khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp của CaCl2 và

H2O

M = a.Mdd + (1- a) = 111a + 18(1 – a)

a: là nồng độ phần mol của CaCl2

8

10 1853 , 1 10 1853 , 1 0086 , 3350 10 58

- Của nước: Tra bảng I.104, [1–96] nếu nhiệt độ lớn hơn 1000C

Tra bảng I.102, [1–95] nếu nhiệt độ nhỏ hơn 1000C

t1, t2: Nhiệt độ mà tại đó chất lỏng A có độ nhớt tương ứng là 1 và 2

1, 2: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng chuẩn có cùng độ nhớt là 1 và 2

Nồi 1: Tra bảng I.107, [1-101] ta có độ nhớt của dung dịch CaCl2 8,1965%

khối lượng tương ứng với nhiệt độ:

Dung dịch CaCl2 có nhiệt độ sôi 116,1434 0C

→ = 108,8548 0C

Vậy = 108,8548 0C → = 0,2594 cP

→ = 0,2594 cP

Nồi 2: tra bảng I.107, [1-101] ta có độ nhớt của dung dịch CaCl2 24% khối lượng

tương ứng với nhiệt độ:

Cnc(J/kg.độ) (cP) (cP)

1 0,5234 0,6852 1,0157.103 946,1467 19,3299 3842,8945 4243,4438 0,2594 0,2413

2 0,5327 0,6761 1,1853.103 970,6522 22,5291 3350,0086 4197,8696 0,3049 0,3487

Vậy ta có:

9993 , 0 3049

, 0 3487 , 0 8696 , 4197 0086 , 3350 6522 , 970 10 1853 , 1 6761 ,

0

5327 ,

0

8478 , 0 2594

, 0 2413 , 0 4438 , 4243 8945 , 3842 1467 , 946 10 0157 , 1 6852 ,

0

5234 ,

0

435 , 0 2

3 565

, 0 2

435 , 0 2

3 565

, 0 1

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

2.11 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT CHO TỪNG NỒI

Sai số nhỏ hơn 5% nên ta chấp nhận giả thiết phân bố áp suất ban đầu.

Qui chuẩn F = 100 m2 (theo bảng VI.6,[2-80])

PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ.

3.1 TÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET.

3.1.1 Hệ thống thiết bị.

Chọn thiết bị ngưng tụ Baromet (thiết bị ngưng trực tiếp loại khô ngược

chiều chân cao)

Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet:

Nguyên lý làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô

ngược chiều chân cao là phun nước lạnh vào trong hơi, hơi tỏa ẩn nhiệt đun

nóng nước và ngưng tụ lại Do đó thiết bị ngưng tụ trực tiếp chỉ để ngưng tụ

hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị hoặc không tan trong

nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nước làm nguội

Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều loại

khô được mô tả như hình vẽ Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn những tấm

ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống Baromet (3) để tháo nước và chất

lỏng đã ngưng tụ ra ngoài

Hơi thứ vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy từ trên xuống, chảy tràn qua

cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợp

nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống Baromet, khí không

ngưng đi lên qua ống (4) sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống

ống Baromet Khí không ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chân

không (5)

Ống Baromet thường cao H > 10,5m để khi độ chân không trong thiết bị

có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị

Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra được không cần bơm nên tốn ít

năng lượng, năng suất lớn

Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao ngược

chiều loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị

trí cuối hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không

3.1.2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ.

Các số liệu cần biết:

- Hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2 = 2160,5045 (kg/h)

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: png = 0,2 at

→ Tng= 59,7 0C

- Các thông số vật lý của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hệ thống:

2c n n

ttC

tCiWG

Gn= .2160,5045 = 49564,4446 (kg/h)

3.1.2.2 Tính đường kính trong D tr của thiết bị ngưng tụ:

Theo công thức VI.52, [2-84]

Dtr= 0,02305 ,m

Trong đó:

Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, m

W2: lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/h

W2= 2160,5045 (kg/h)

h: khối lượng riêng của hơi ngưng tụ ở 59,7 0C

Tra bảng I.250, [1-312] → h= 0,12855 kg/m3: tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ Nó phụ thuộc vào cáchphân phối nước trong thiết bị, tức là theo độ lớn của các tia nước Khi

tính toán với áp suất làm việc là png = 0,2 at ta có thể chọn = 35 m/s

Do đó ta có:

Dtr= 0,02305 = 0,5051 (m)

Qui chuẩn thành Dtr = 500 mm

3.1.2.3 Tính kích thước tấm ngăn.