Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi thiet bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng Cô đặc dung dịch NaOH.

Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng.Cô đặc dung dịch NaOH Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấngiờ): 16 Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 10 Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng): 34 Áp suất hơi đốt nồi 1 (at): 3,5 Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ môn: Công nghệ sau thu hoạch

-NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BI

Họ và tên sinh viên : Trần Văn Tiến

Lớp : CNTP 47B

Ngành : Công Nghệ Thực Phẩm

1/ Tên đề tài

Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều.

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng.

Cô đặc dung dịch NaOH.

2/ Các số liệu ban đầu

- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 16

- Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 10

- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng): 34

- Áp suất hơi đốt nồi 1 (at): 3,5

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

3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

- Đặt vấn đề

- Chương 1: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết kế

- Chương 2: Tính toán công nghệ thiết bị chính

- Chương 3: Tính cơ khí thiết bị chính

- Chương 4: Tính và chọn thiết bị phụ

- Chương 5: Kết luận

- Tài liệu tham khảo

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

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

- 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1.

5/ Giáo viên hướng dẫn

Phần: toàn bộ Họ và tên giáo viên: Nguyễn Thị Diễm Hương

6/ Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2016

7/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/05/2016

Thông qua bộ môn

Ngày tháng năm 2016

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

ThS Nguyễn Thị Diễm Hương

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngành công nghiệpsản xuất hóa chất và thưc phẩm là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởngđến nhiều ngành sản xuất khác Một trong những hóa chất được sản xuất và sửdụng nhiều là NaOH vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó

Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quantrọng Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sửdụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trìnhkết tinh nếu cần

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều,phòng đốt ngoài kiểu đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịchNaOH từ 10% lên 34%

Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị

là hết sức quan trọng Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâusắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc,quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với cácthông số kỹ thuật cụ thể Ngoài ra, qua việc thiết kế thiết bị, chúng ta sẽ biết cáchthiết lập một bản vẽ kĩ thuật, biết cách đọc, phân tích và hiểu một bản vẽ

Trong quá trình thực hiện đồ án, do chưa có kinh nghiệm và kiến thức cònhạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sựđóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và các anh chị năm trước để có thểhoàn thành tốt đồ án được giao Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị DiễmHương và các thầy cô thuộc khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình hướng dẫn,giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

Thị trường đối với xút rắn chủ yếu là ở các nước đang phát triển do cơ sở hạtầng không thích hợp cho việc vận chuyển và sử dụng xút lỏng Nhưng với cơ sở

hạ tầng đang ngày càng được phát triển, những thị trường lớn như Trung Quốcđang giảm tiêu thụ xút rắn và chuyển sang nhập xút lỏng Ngày nay các nướcCuba, Angiêri và châu Phi vẫn là những thị trường tiêu thụ chính đối với xút rắn Ởchâu Á, Inđônêxia là nước duy nhất còn nhập xút rắn với khối lượng lớn Do giáxút rắn cao nên khối lượng buôn bán sản phẩm này trên thế giới chỉ đạt 400.000tấn/năm và đang giảm với tốc độ 8% trong một năm Xút lỏng được buôn bán trênthế giới chủ yếu phục vụ nhu cầu sản xuất nhôm oxit (alumin) tại các nước nhưÔxtrâylia, Braxin, Vênêzuêla, Surinam, Giamaica và Ghinê, trong đó đáng kể nhất

là Ôxtrâylia

Ở Việt Nam, sản xuất natri hydroxit là một trong những ngành công nghiệphóa chất quan trọng bậc nhất Nó góp phần to lớn trong sự phát triển của các ngànhcông nghiệp khác như sản xuất xà phòng, công nghệ giấy, công nghiệp lọc dầu,công nghệ dệt nhuộm, thực phẩm, xử lý nước, sản xuất các loại hóa chất đi từ xútnhư silicat natri, chất trợ lắng PAC,

1.1.2 Tính chất hóa lý của natri hydroxit

Natri hydroxyt là khối tinh thể không màu, không mùi, dễ tan trong nước,tan nhiều trong rượu và không tan trong ete.

Natri hydroxit có trọng lượng riêng 2,02 Độ pH là 13,5 Nhiệt độ nóng chảy327,6 ± 0,9 oC Nhiệt độ sôi 1388 oC Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí,chảy rữa và biến thành Na2CO3

Natri hydroxit là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bịcao; trong quá trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toànlao động Ngoài ra, natri hydroxit có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vàonước nên khi hòa tan natri hydroxit cần phải dùng nước lạnh

Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H2O, NaOH.3H2O vàNaOH.2H2O Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy

Các phương pháp điều chế natri hydroxit

- Trong phòng thí nghiệm

+ Natri tác dụng với nước

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑+ Natri oxit tác dụng với nước

2NaO + H2O → 2NaOH

- Trong công nghiệp

Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụngvới dung dịch natri cacbonat loãng và nóng:

Ca(OH)2 + Na2CO3 → 2NaOH + CaCO3

Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaClbão hòa:

2NaCl + 2H2O dòng điện Cl2 + H2 + 2NaOH

NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và tơnhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩmnhuộm và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòngthí nghiệm hóa học

1.2 Sơ lượt về lý thuyết cô đặc

1.2.1 Định nghĩa

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

- Làm tăng nồng độ chất tan

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chânkhông, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong

hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phânhủy vì nhiệt

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bịphân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho côđặc 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 rangoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịchnhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môiđược tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch khôngbay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưngcất, 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 đungnóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làmviệc gián đoạn hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khácnhau 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 độsôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịchtăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ýnghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi cóthể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứcủa nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba, hơi thứnồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọsang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiệncần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt

và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứtrong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ củanồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, cònnồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

1.2.2 Cấu tạo thiết bị cô đặc

Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóngbằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:

a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt

để đun sôi dung dịch

b) Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ đượctách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòngđốt) Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi –lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch

bị hơi thứ mang theo

1.2.3 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sangtrạng thái rắn dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suấttác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì mộtcấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung

ngoài tác dụnglên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao haythấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.

1.2.4 Ứng dụng của cô đặc

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

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

1.2.5 Phân loại thiết bị cô đặc

1.2.5.1 Phân loại theo cấu tạo

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dungdịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễdàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn tronghoặc ngoài

- Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch

từ 1,5-3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyềnnhiệt, 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 tránh tiếp xúc nhiệtlâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm nhưdung dịch nước trái cây, hoa quả ép Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng chodung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

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

1.2.5.2 Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất khôngđổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định

để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độdung dịch đạt được là không cao

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC, áp suấtchân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục Cô đặcchân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt

- Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ caonhư các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho cácquá trình đun nóng khác

- Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân 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 quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điềukhiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế

1.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nóitrên ta chọn thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều, buồng đốt ngoài kiểu đứng

Ưu điểm của hệ thống

Dùng hệ thống 3 nồi xuôi chiều liên tục:

+ Có thể sử dụng hợp lí lượng hơi bằng cách dùng hơi thứ của nồi trước làmhơi đốt của nồi sau

+ Nhiệt độ của dung dịch và áp suất giảm dần từ nồi trước ra nồi sau, do đónhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cùng sẽ thấp

+ Dung dịch di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữacác nồi

+ Do nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau nên dung dịch của mỗi nồiđều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là ta có một lượng nhiệt thừa vàlượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi cho một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi

Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm:

+ Giảm bớt khoảng cách theo chiều cao giữa buồng bốc và không gian hơi,

có thể điều chỉnh được sự tuần hoàn

+ Hoàn toàn tách hết bọt, vì buồng đốt cách xa không gian hơi

+ Có khả năng sử dụng không gian hơi như là một bộ phận phân ly loại lytâm

+ Cường độ tuần hoàn, cường độ bốc hơi lớn

+ Có thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trình sửachửa, làm sạch mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục

Nhược điểm

+ Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dungdịch lại tăng dần làm độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyềnnhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

+ Thiết bị cồng kềnh, phức tạp

+ Việc xử lý điều khiển khó khăn

1.3.2 Sơ đồ hệ thống thiết bị và thuyết minh quy trình công nghệ

Dung dịch ban đầu có nồng độ 10% được chứa trong thùng chứa nguyên liệu(1) được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) qua lưu lượng kế (4) sau đó vào thiết bịgia nhiệt (6) Tại thiết bị gia nhiệt (6) dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi củanồi cô đặc thứ nhất Sau đó dung dịch được đưa vào buồng đốt ngoài (9), dungdịch NaOH được đun sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi vào phòng bốc tại đây hơithứ được tách ra và đi lên phía trên, dung dịch quay về buồng đốt (9) theo ống tuầnhoàn (8), hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2, hơi thứ nồi 2 làm hơi đốt cho nồi 3,hơi thứ nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ lại còn lượng khíkhông ngưng được bơm chân không (14) hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồibọt (11) Dung dịch nồi 1 khi đạt nồng độ chất khô yêu cầu thì đi ra và làm nguyênliệu cho nồi 2, sản phẩm nồi 2 làm nguyên liệu cho nồi 3, sản phẩm nồi 3 là sản

phẩm của hệ thống có nồng độ chất khô là 34% và được đưa vào bể chứa sản phẩm(12) Nước ngưng tụ sẽ được tháo qua cửa tháo nước ngưng và được chứa trong bểchứa nước ngưng (7).

CHƯƠNG 2 TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BI CHÍNH

2.1.2 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W)

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:

Gđ = Gc + W

Trong đó:

Gđ, Gc: lưu lượng đi vào, đi ra khỏi thiết bị (kg/h)

W: lượng hơi thứ đi ra khỏi thiết bị (kg/h)

Viết cho cấu tử phân bố:

2.2.1 Xác định áp suất trong mỗi nồi

Gọi: Phđ1, Pht1 : áp suất hơi đốt nồi 1, hơi thứ nồi 1

Phđ2, Pht2 : áp suất hơi đốt nồi 2, hơi thứ nồi 2

Phđ3, Pht3 : áp suất hơi đốt nồi 3, hơi thứ nồi 3

Pnt : áp suất của thiết bị ngưng tụ

∆P : chênh lệch áp suất chung của toàn bộ hệ thống

∆P1, ∆P2, ∆P3: chênh lệch áp suất trong nồi 1, nồi 2, nồi 3

Giả thuyết hơi đốt dùng để bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hòa:

∆P2 = 1,0 (at) ∆P3 = 0,8 (at)

Mặt khác: ∆P1 = Phđ1 – Phđ2 Phđ2 = Phđ1 - ∆P1 = 3,5 – 1,4 = 2,1 (at)

∆P2 = Phđ2 – Phđ3 Phđ3 = Phđ2 - ∆P2 = 2,1 – 1,0 = 1,1 (at)

2.2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi

Gọi: thđ1,thđ2, thđ3, tnt : là nhiệt độ hơi đi vào các nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưngtụ

tht1,tht2, tht3: là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3

Từ áp suất: Phđ1, Phđ2, Phđ3, Pnt đã biết ta tra bảng I.251 STQTTB, T1/Trang

Pht1 = 2,175 (at) (I.205 STQTTB, T1/trang 312)

Pht2 = 0,833 (at) (I.205 STQTTB, T1/trang 312)

Pht3 = 0,314 (at) (I.205 STQTTB, T1/trang 312)

Từ các số liệu trên ta có bảng tổng kết áp suất và nhiệt độ như sau:

Bảng 1.1 Bảng tổng kết áp suất và nhiệt độ

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

0,3 68,7Hơi thứ 2,175 121,93 0,833 94 0,314 69,7

2.2.3 Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi

2.2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra ()

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi củadung môi nguyên chất Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyênchất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra

Ta có: = to

sdd - to sdmnc (ở cùng áp suất)

Trong đó:

Ts: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (oK)

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

r : ẩn nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc

Dựa vào bảng VI.2 STQTTBT2/trang 67 ta xác định được

Bảng 1.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thường hoặc áp suất khí quyển gây ra

Nồng độ dung dịch (% khối lượng) 13,08 18,89 34

(oC)

Tra bảng I.250 STQTTB, T1/Trang 312 ta xác định được ẩn nhiệt hóa hơiBảng 1.3 Bảng ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ

Ẩn nhiệt hoá hơi r (J/kg) 2201,29.103 2275,4.103 2333,739.103

Thay vào công thức Tisenco, ta có:

Đối với nồi 1:

Đối với nồi 2:

(oC)

Đối với nồi 3:

(oC)

(oC)

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

Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng

do áp lực của cột chất lỏng Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trênmặt thoáng gọi là tổn thất nhiệt dộ do áp suất thuỷ tĩnh

Với : là nhiệt độ sôi ứng với Ptb

tp : là nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch

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

Theo CT VI.12 STQTTB, T2/Trang 60, ta có:

(N/m2)

Hay Ptb= Po + P với P = (N/m2)

Po: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch (N/m2)

P: chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống (N/m2)

dds: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

Với:

g: gia tốc trọng trường, m/s2, g = 9,81 (m/s2)

s: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

Hop: chiều cao thích ứng tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)

’’ = ’’

1 + ’’

2 + 3 = 0,796 + 2,212 + 5,827 = 8,835 (0C)

2.2.3.3 Tổn thất do trở lực thủy lực

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi 1 sang nồi

2, từ nồi 2 sang nồi 3 và từ nồi 3 sang thiết bị ngưng tụ là 10C Do đó:

2.2.3.5 Hiệu số nhiệt độ có ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi

thi3 = thđ3 – ts3 = 93 – 76,647 = 10,353 (0C)

* Cho toàn bộ hệ thống

Ta có: ∆thi = ∆ch - ∆ = thđ1 - tnt - ∆ = 137,9 – 68,7 – 33,906 = 35,294 (0C)

2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng

2.2.4.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

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

C = 4186.(1 - x) (J/kg.độ) (CT I.43 STQTTB, T1/trang 152)Trong đó: x là nồng độ chất hòa tan (phần khối lượng)

Nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu:

M: Khối lượng của phân tử chất đó

Ci: Nhiệt dung riêng của các đơn chất

Ni: Số nguyên tử trong phân tửVới: CNa = 26000 (J/kg.độ)

2.2.4.2 Tính nhiệt lượng riêng

I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt

i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ

Tra bảng I.251 STQTTB, T1/trang 314 ta xác định được nhiệt lượng riêng.Bảng 1.5 Bảng tra nhiệt lượng riêng của hơi đốt và hơi thứ

Nồi Hơi đốt Hơi thứ

D1: Là lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/h)

I1, I2, I3: Hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg)

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

W1, W2, W3: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h)

Cđ, C1, C2, C3: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 củadung dịch (J/kg.độ)

tđ, ts1, ts2, ts3: Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 của dung dịch(0C)

i1, i2, i3: Hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg)

Cn1, Cn2, Cn3:Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg.độ)

Nhiệt độ của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (0C) lấy bằngnhiệt độ hơi đốt của nồi 1, nồi 2, nồi 3 (0C)

Qtt1, Qtt2, Qtt3: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J)

Nhiệt lượng vào:

Nồi 1:

+ Do hơi đốt mang vào: D1.Ihđ1

+ Do dung dịch mang vào: Gđ .Cđ .tđ

Nồi 2:

+ Do hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): D2.Ihđ2

+ Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ - W1).C1.ts1

Nồi 3 :

+ Do hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2): D3.Ihđ3

+ Do dung dịch ở nồi 2 mang vào: (Gđ - W1 – W2).C2.ts2

Nhiệt lượng ra:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:

GđCđtđ + D1.ihđ1 = W1.iht1 + (Gđ – W1)C1.ts1 + D1Cn11 + 0,05D1(ihđ1 – Cn11)Nồi 2:

D2Ihđ2 + (Gđ –W1).C1.t1 = W2iht2 + (Gđ - W1 – W2).C2ts2 + D2Cn2 + 0,05D2(Ihđ2 - Cn2 )Nồi 3:

D3Ihđ3 + (Gđ – W1 – W2)C2.ts2 = W3iht3 + (Gđ – W1 – W2 – W3).C3ts3 + D3Cn3

+ 0,05D3(Ihđ3 - Cn3 )Với: W = W1 + W2 + W3

Tra bảng I.249 STQTTB, T1/trang 310 gộp thêm bảng 1.5

Bảng 1.6 Bảng nhiệt dung riêng của dung dịch và dung môi

i.10-3

(J/kg)

C(J/kg.độ)

Thay số vào [1] ta được:

= 4039,989 (kg/h)Tính sai số:

, là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là

Nồi 1 : X1 = 13,08%, chọn nước làm chất lỏng tiêu chuẩn

Ta có = 1,462.10-3 (N.s/m2) (Bảng I.107 STQTTB, T1/trang 100) = 6,244 (0C) (Bảng I.102 STQTTB, T1/trang 94)

Ta có = 1,85.10-3 (N.s/m2) (Bảng I.107 STQTTB, T1/trang 100) = - 0,951 (0C) (Bảng I.102 STQTTB, T1/trang 94)

Ta có = 0,718.10-3 (N.s/m2) (Bảng I.107 STQTTB, T1/trang 100) = 35,932 (0C) (Bảng I.102, STQTTB, T1/trang 94)

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

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

: khối lượng riêng, kg/m3.

M : khối lượng mol của chất lỏng

Chọn A = 3,58.10-8

Ta có: M = mi .Mdd + (1 – mi).Mnước

Trong đó: Mi là phần mol của cấu tử

Công thức chuyển nồng độ phần khối lượng cấu tử bất kì trong 1 pha sangphần mol

CP3 = 3248,11 (J/kg.độ) = 1370 (kg/m3) (Bảng I.46 STQTTB, T1/trang 42)

• M3 = 0,188.40 + (1 – 0,188).18 = 22,136

• 3,58.10-8.3248,11.1370 = 0,630 (W/m.độ)

Lập bảng các thông số của dung dịch

Bảng 1.7 Nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số truyền nhiệt và độ nhớtcủa dung dịch

H: chiều cao ống truyền nhiệt (chọn H= 4 m)

: là hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tm

lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dungriêng và độ nhớt của dung dịch.

là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độnhớt của nước

là bề sày ống truyền nhiệt, chọn = 2 mm = 2.10-3 m

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3 có = 50 (W/m2.độ) (tra bảngXI.7 STQTTB, T2/ trang 313)

Chọn r1 = 0,232.10-3 (m2.độ/W)

r3 = 0,387.10-3 (m2.độ/W)

(m2.độ/W)Nồi 1: Tại ts1 = 128,495 (oC) = t21

Ta có: ∆tI = q11 = 6916,246.0,659.10-3 = 4,558 (0C)

tT21 = tT11 - tI = 137,34 – 4,588 = 132,782 (0C)

Hiệu số cấp nhiệt của nước:

t21 = tT21 - t21 = 132,782 – 128,495 = 4,287 (0C)

Áp suất làm việc tại nồi 1:

PLV1 = 2,175.98100 = 213367,5 (N/m2)

→ n1 = 0,145.4,2872,33.213367,50,5 = 1990,195 (W/m2.độ)Tra bảng I.149 STQTTB, T1/trang 311, ta có:

Vậy nhiệt tải trung bình là:

(W/m2)Nồi 2: Tại ts2 = 104,394 (0C) = t22

Ta có: tII = q12 = 13806,818.0,659.10-3 = 9,099 (0C)

tT22 = tT12 - tII = 119,48 – 9,099 = 110,381 (0C)

Hiệu số cấp nhiệt của nước:

t22 = tT22 - t22 = 110,381 – 104,394 = 5,987 (0C)

Áp suất làm việc tại nồi 2:

PLV2 = 0,833.98100 = 81717,3 (N/m2)

→ n2 = 0,145.5,9872,33.81717,30,5 = 2682,096 (W/m2.độ)Tra bảng I.149 STQTTB, T1/trang 311, ta có:

Vậy nhiệt tải trung bình là:

(W/m2)Nồi 3: Tại ts3 = 76,647 (0C) = t23

Ta có: tIII = q13 = 11556,796.0,659.10-3 = 7,616 (0C)

tT23 = tT13 - tIII = 91,76 – 7,616 = 84,144 (0C)

Hiệu số cấp nhiệt của nước:

Áp suất làm việc tại nồi 3:

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

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

(CT VI.20 STQTTB T2/68)

Trong đó:

thi : nhiệt độ hữu ích trong các nồi

Qi : lượng nhiệt cung cấp

Qi = (W/m2)

Di : lượng hơi đốt mỗi nồi

ri : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi

Nồi 1:

Nồi 2:

∆thi2 = 15,786 (oC)Nồi 3:

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

- Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

m2

- Bề mặt truyền nhiệt của nồi 2:

m2

Số hình sáu cạnh là = 13

Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh b = 27 ống

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân n = 547

Tổng số ống trong tất cả hình viên phân = 66 ống

Tổng số ống của thiết bị = 613

3.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt

Ta có:

Dt = t (b - 1) + 4dn (CT V.141 STQTTB, T2/trang 49)Trong đó: t là bước ống, thường chọn t = (1,2 -1,5)dn

Chọn t = 1,2dn→ t = 1,2.0,057 = 0,0684 (m)

→ Dt = 0,0684(27 - 1) + 4.0.057 = 2,001 (m)

Theo bảng (XIII.6 STQTTB, T2/trang 359)

3.2.2 Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi được xác định theo công thức:

(m3) (CT VI.32 STQTTB, T2/trang 71)Trong đó:

Vkgh : là thể tích không gian hơi, m3

W : là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h

: là khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3

Utt : là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơitrong một đơn vị thời gian, m3/m3.h