Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm ,thẳng đứng .Cô đặc dung dịch NaNO 3 năng suất 8,5 Tấnh ,chiều cao ống gia nhiệt h =2m

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm,thẳng đứng .Cô đặc dung dịch NaNO 3 năng suất 8,5 Tấnh ,chiều cao ống gianhiệt h =2m .Các số liệu ban đầu :Nồng độ đầu của dung dịch là 15% .Nồng độ cuối là 45 % .Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4 atÁp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Minh Việt

NỘI DUNG

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm ,thẳng đứng Cô đặc dung dịch NaNO3 năng suất 8,5 Tấn/h ,chiều cao ống

gia nhiệt h =2m

Các số liệu ban đầu :

-Nồng độ đầu của dung dịch là 15%

-Nồng độ cuối là 45 %

-Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4 at

-Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

PHẦN THUYẾT MINH

1 Mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh dây truyền sản xuất

3 Tính toán cân bằng vật liệu và nhiệt lượng

MỤC LỤC

Lời mở đầu 6

Phần I Giới thiệu về thiết bị cô đặc 7

1 Khái niệm: 7

2 Phân loại các thiết bị cô đặc 7

3 Một số tính chất vật lý của dung dịch liên quan đến quá trình cô đặc 8

4 giới thiệu dung dịch NaNO 3 10

4.1.Tính chất vật lí: 10

4.2.Tính chất hóa học: 10

4.3.Ứng dụng : 11

5 Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh 13

PHẦN II CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG 14

1 tính toán thiết bị gia nhiệt 14

1.1 tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống 14

1.2 Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi 14

1.3 Nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi 14

1.4 Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р)Р)) 15

1.5 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt của mỗi nồi 15

1.6 Áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi 16

1.7 tổn thất nhiệt nhiệt độ cho từng nồi 16

1.7.1 Tổn thất do nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn dung môi() 16 1.7.2 Tổn thất do tăng áp suất thủy tĩnh 17

1.7.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống 18

1.7.4 Tổng tổn thất nhiệt của cả hệ thống là: 18

1.8 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 18

1.8.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch ở từng nồi 18

1.8.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích(t hi i) 18

1.9 Tính nhiệt lượng hơi đốt D, hơi thứ W i ( kg/h) 19

1.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 19

1.9.2 phương trình cân bằng nhiệt lượng 19

2.1 Sai số so với giả thuyết ban đầu: 21

2.2 Tỷ lệ phân phối hơi thứ trong các nồi: 21

2.3 Bảng tổng hợp số liệu 3 22

3 Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 22

3.1 Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi 22

3.2 Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt 24

3.3.Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1 25

a.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước : 25

b.Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 26

c.Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi: 26

d.nhiệt tải riêng về phía dung dịch 26

e.So sánh sai số ta thấy 27

4.Hệ số cấp nhiệt trung bình của nồi 2: 27

a.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước 27

b.Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 27

c.Hệ số cấp nhiệt  22 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 27

d.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch 27

e.So sánh q 12 và q 22 27

5 Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi 28

5.1 Hệ số truyền nhiệt K i 28

a.Nhiệt tải riêng trung bình: 28

b.Hệ số truyền nhiệt 28

5.2.Lượng nhiệt tiêu tốn 28

6 Nhiệt độ hữu ích từng nồi 29

6.1 Lập tỷ số: Li = Qi/ Ki 29

6.2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi 29

7 So sánh T hi và T hi * 30

8 Tính bề mặt truyền nhiệt F 30

PHẦN III : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 31

1.tính buồng đốt 31

1.1.Số ống truyền nhiệt trong buồng đốt (n) 31

1.2.Đường kính trong của buồng đốt (D tr ) 31

1.3 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm 32

1.4.Chiều dày của buồng đốt (S) 32

1.5.Kiểm tra độ bền theo áp suất thử 34

1.6.Chiều dày đáy buồng đốt 34

1.7.Tính toán lưới đỡ 35

2 Tính buồng bốc 36

2.1.Thể tích của không gian hơi (V b ) 36

2.2.Chiều cao buồng bốc 36

2.3.Chiều dày buồng bốc 37

2.4.Tính nắp buồng bốc 37

3.mặt bích 38

4 Một số chi tiết khác 40

4.1 đường kính và các ống nối dẫn hơi và dung dịch vào và ra thiết bị .40

4.1.1 ống dẫn hơi đốt vào: 40

4.1.2.ống dẫn dung dịch vào 40

4.1.3 Đối với ống dẫn hơi thứ ra 41

4.1.4 Đối với ống dẫn dung dịch ra 41

4.1.5 Đối với ống tháo nước ngưng 42

5.Tính và chọn tai treo 42

5.1.Tính G nk 42

a Khối lượng đáy lồi và nắp buồng đốt 42

b.tính khối lượng than buồng đốt 42

c khối lượng 4 bích ghép thân và đáy buồng đốt 43

d tính khối lượng thân buồng bốc 43

e Khối lượng nắp và đáy buồng bốc 43

f khối lượng 4 bích ghép thân và đáy buồng bốc 44

g.Khối lượng 2 lưới đỡ ống 44

h khối lượng các ống truyền nhiệt 44

i khối lượng hai phần trụ nối nắp, thân, đáy, buồng đốt với các ống dẫn 44

j tổng khối lượng nồi không 45

5.2.tính G nd 45

a thể tích không gian buồng đốt và buồng bốc 45

b khối lượng nước chứa đầy nồi là: 45

5.3.khối lượng nồi khi thử thủy lực 46

5.4 Chọn tai treo và chân đỡ 46

6 chọn kính quan sát 48

7 Tính bề dày lớp cách nhiệt : 48

PHẦN IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 50

1.gia nhiệt hỗn hợp đầu 50

1.1 Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 50

1.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 50

1.3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể: 51

1.4 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 52

1.5 Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy: 52

1.6 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : 55

1.7 Bề mặt truyền nhiệt : 55

1.8 Số ống truyền nhiệt : 55

1.9 Đường kính trong của thiết bị đun nóng 56

1.10 Tính lại vận tốc và chia ngăn : 56

a Xác định vận tốc thực 56

b Xác định vận tốc giả thuyết: 57

c số ngăn: 57

2 Chiều cao thùng cao vị 57

2.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến cô đặc : .58

2.2.Áp suất để khắc phục trở lực ma sát: 58

2.3 Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu : 60

2.4 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào thiết bị cô đặc: 61

3 chiều cao thùng cao vị : 62

4 Bơm 64

4.1 Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: 64

4.2.Năng suất yêu cầu trên trục bơm 68

4.3.Công suất động cơ điện 68

5 thiết bị ngưng tụ Baromet 69

5.1 hệ thống thiết bị 69

5.2 Lượng nước lạnh (G n ) cần thiết cung cấp cho thiết bị ngưng tụ 72

5.3 Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ (D tr ) 73

5.4 kích thước tấm ngăn 73

5.5.chiều cao thiết bị ngưng tụ 73

5.6 kích thước ống Baromet 74

a đường kính trong của ống Baromet 74

b xác định chiều cao ống baromet 75

5.7 Lượng hơi và khí không ngưng 76

a lượng không khí cần hút 76

5.8.Tính toán bơm chân không 77

6 Thống kê số liệu thiết bị phụ 78

6.1 thống kê các thông số cơ bản của thiết bị ngưng tụ 78

6.2 thống kê số liệu bơm 79

6.3 thống kê số liệu thùng cao vị 79

Phần V Kết luận 85

Tài liệu tham khảo 83

Lời mở đầu

Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng Để năng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cầndùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn

Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn đơn giản, dễvận hành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu trong thực tế người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất xử dụnghơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

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 ,em được nhận

đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”.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

Trong đồ án môn học này , nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ thống

cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dungdịch CaCl2 ,năng suất 8500kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 8%, nồng độ sản

phẩm 35%

Phần I Giới thiệu về thiết bị cô đặc

1 Khái niệm:

Cô đặc là phương pháp thường dùng để tăng nồng độ của một cấu tử nào

đó trong dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay dễ bay hơi ta có thể tách một phần dung môi ( cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ ( đun nóng ) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh

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

2 Phân loại các thiết bị cô đặc

Thiết bị cô đặc được chia thành 3 nhóm:

 Nhóm 1 : Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên Thiết bị dạng này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuàn hoàn tự nhiên của dung dich dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

 Nhóm 2 : Dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức Thiết bị trong nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.

ngược lên hoặc suôi xuống Thiết bị dạng này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch.Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong hoặc buồng đốt ngoài Tùy theo điều kiên của dung dich mà ta có thể sử dụng cô đặc ởđiều kiện chân không, áp suất thường, áp suất dư

3 Một số tính chất vật lý của dung dịch liên quan đến quá trình cô đặc.

-Nhiệt hòa tan:

Khi hòa tan một chất rắn vào trong dung môi có hai quá trình xảy ra: Quátrình thu nhiệt và quá trình tỏa nhiệt

Quá trình thu nhiệt của dung môi làm nhiệt độ của dung môi lạnh đi do

sự tương tác giữa các phân tử của dung môi và các phân tử chất tqan mà mạnglưới tinh thể của chất tanbị phá hủy

Quá trình tỏa nhiệt được tạo thành từ mối liên kết giữa cácphân tử củachất tan với các phân tử của dung môi gọi là quá trình solvat hóa, nếu dung môi

là nước thì gọi là hydrat hóa

Vậy nhiệt hòa tan chính là tổng của hai lượng nhiệt này Bởi vậy nhiệt hòatan có thể là âm hay dương, tùy theo tính chất của của chất hòa tan và dung môi.Đới với những chất dễ tạo thành quá trình solvat hóa thì nhiệt hòa tan dương,cònnhững câhts không tạo thành solvat hóa(hydrat hóa) thì nhiệt hòa tan âm

Do đó khi tính toán t cần biết nhiệt hòa than của một chất để thêm hay bớtnhiệt đi, nhiệt hòa tan được tra trong sổ tay quá trình và thiết bị.

-Nhiệt độ sôi của dung dịch:

Nhiệt độ sôi của dung dịch có tính chất quan trọng khi tính toán và thiết kếthiết bị cô đặc vì từ nhiệt độ sôi của dung dịch ta sẽ chọn chất tải nhiệt để đốtnóng cũng như các chế độ làm việc của thiết bị Hiệu số nhiệt độ giữa chất tảinhiệt và dung dịch là một trong những yếu tố xác định bề mặt truyền nhiệt củathiết bị

Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chấthòa tan, khi nồng độ tăng thì nhiệt độ sôi tăng Nhiệt độ sôi của dung dịch luônlớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở cùng áp suất, điều này có thể giải thích theođịnh luật Raun:

N

n P

P P s

s





Ở đây Ps – áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất

P – áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung dịch

n – số mol của chất hòa tan;

N – số mol của dung môi

Từ biểu thức trên ta thấy Ps > P nghĩa là áp suất hơi bão hòa củadung môi trên mặt dung môi nguyên chất luôn luôn lớn hơn áp suất hơi bão hòacủa dung môi trên mặt dung dịch khi có nhiệt độ như nhau, cũng từ biểu thứcnày ta thấy khi tăn gn (tăng nồng độ của dung dịch) thì P sẽ giảm Hiệu số Ps – P

= P gọi là độ giảm áp suất của dung môi trên dung dịch Nếu ở nhiệt độ nhưnhau áp suất của dung môi trên dung dịch luôn nhỏ hơn áp suất của dùng môitrên dung môi nguyên chất thì ngược lại khi có cùng áp suất bên ngoài nhưnhau nhiệt độ sôi cả dung dịch sẽ luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môinguyên chất Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất

t – ts = ’

’ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất,’

cũng phụ thuộc nồng độ, nồng độ tăng thì ’ cũng tăng Đại lượng này gọi làtổn thất nhiệt độ do nồng độ Trị số của ’ phụ thuộc vào chất hòa tan

Khi tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất khác ta ứng dụng quy tắcBabô, theo quy tắc này: độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hòa của dungmôi trên dung dịch ở nồng độ đã cho là một đại lượng không đổi không phụthuộc vào nhiệt độ sôi Nghĩa là:

s

s P

P

= hằng số

Từ biểu thức này ta biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứngvới áp suất nào đó thì ta có thể xác định được nhiệt độ sôi ở các áp suất khácnhau

Như vậy đối với các dung dịch khác nhau, tính chất vật lý, hóa học khácnhau thì ta cần lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp

4 giới thiệu dung dịch NaNO 3

4.1.Tính chất vật lí:

- Natri nitrat thường ở dạng tinh thể không màu, khối lượng riêng 2,265g/cm3; có nhiệt độ nóng chảy là tnc = 312oC

- Natri nitrat tan trong nước,là chất điện li mạnh

- Để ngoài không khí chúng bị chảy do hấp thụ hơi nước trong không khí

- NaNO3 khan khá bền với nhiệt ( chúng có thể thăng hoa trong chân không ở380- 500độC )

4.2.Tính chất hóa học:

* Ở nhiêt độ cao NaNO3 là chất oxi hóa mạnh

- Khi bị đun nóng NaNO3 bị nhiệt phân hủy tạo thành muối Nitrit và Oxi:

NaNO3  NaNO2 + O2

- Phản ứng với Cu trong môi trường axit:

2NO3- + 8H+ + 3Cu  3Cu2+ + 2NO + 4H2O

4.3.Ứng dụng :

- Trong thiên nhiên, chủ yếu được khai thác ở Chilê nên được gọi là sanpetChilê.

- Dùng để điều chế axit nitric, phân đạm, dùng trong công nghiệp thuỷ tinh,luyện kim, độ tinh khiết 99.3% , dùng trong thí nghiệm công nghiệp, dân dụng

- Dùng làm thuốc nổ đen

5 Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh

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

Dung dịch đầu NaNO3 được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa (1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (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 của tháo khí không ngưng.Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nước ngưng Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt

Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 7 do đó sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi , áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi 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 Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8).Trong thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống , ở đây hời thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không

PHẦN II CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG

Các số liệu ban đầu:

Năng suất tính theo dung dịch đầu: G đ = 8,5tấn/h

Nồng độ đầu : x đ = 15%

x c = 45%

P hơi đốt nồi 1= 4 at.

P hơi ngưng tụ= 0,2at.

1 tính toán thiết bị gia nhiệt

1.1 tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống

x

x G

W G

x G

x

d

d d c





Xc1= 8500 = 22,67 %Khối lượng

W: tổng lượng hơi thứ của hệ thống

W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1

W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2

1

c

x : nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1

- nồi 2 xc2= 45 % khối lượng

1.4 Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р)Р))

Р)hd1: áp suất hơi đốt nồi 1

Р)ng: áp suất hơi nước ngưng

1.5 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt của mỗi nồi

1.6 Áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi

1.7 tổn thất nhiệt nhiệt độ cho từng nồi

1.7.1 Tổn thất do nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn dung môi()

(* ) khối lượng riêng của dung dịch NaNO3 tra trong bảng I.31-[38-1] chỉđến 100oC nên chọn khối lượng riêng tại 100oC coi sai số không đáng kể khi xác định nhiệt độ sôi của dung dịch ta lấy ở áp suất thường, nhưng thực tế áp suất là khác Tuy nhiên đây là ảnh hưởng rất nhỏ nên có thể bỏ qua

2 0

T2 = 61 + 273 = 334 K

Ti: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất hơi thứ

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

2 (

) / ( )

2 (

4 2

1

2 2

h h

dds hti

dds hti

tra theo công thức VI.12- [60- 2]

Phti: áp suất hơi thứ nồi i

h1i: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt

h2: chiều cao ống truyền nhiệt

:

dds

 khối lượng riêng của dung dịch khi sôi ( tra bảng I.31- [38- 1]

Độ cao của mức dung dịch trong ống truyền nhiệt được xác định theo công thức thực nghiệm:

1.8 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

1.8.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch ở từng nồi

1.9 Tính nhiệt lượng hơi đốt D, hơi thứ W i ( kg/h)

1.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng

1

W  W1;i2 W2 ;i2’ D; I 1 ‘

DCnc1 W1Cnc 2

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thốngD: lượng hơi đốt vào nồi 1

I: hàm nhiệt của hơi đốt

t: nhiệt độ của dung dịch

θ: nhiệt độ nước ngưng

i: hàm nhiệt của hơi thứ

1.9.2 phương trình cân bằng nhiệt lượng

Phương trình cân bằng vật liệu nồi 1

D: lượng hơi đốt vào nồi 1 (kg/h)

Gđ: lượng dung dịch đầu (kg/h)

C0, C1, C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch vào nồi 1, nồi 2,

và ra khỏi nồi 2 Áp dụng công thức I.43 - [152-1]

Nhiệt dung riêng của CaCl2 tính theo công thức I.41-[152-1]

CNaNO3 khan = =

=671,059 (J/kg.độ)

Đối với dung dịch loãng có nồng độ nhỏ hơn 20%

tính theo công thức I.43-[152-1]

xo= 15%  Co = 4186(1-0,15) =3558,1

đối với dung dịch có nồng độ lớn hơn 20%

tính theo công thức I.44- [152 - 1]

x1= 22,67  C1= CNaNO3 khan.x+ 4186(1-x)

 C1= 71,059 0,2267+ 4186( 1- 0,2267) = 3389,163 (J/kg.độ)

X2= 45  C2= 671,059 0,45 + 4186(1-0,45) = 2604,277

Trong đó n: là số nguyên tử của nguyên tố Na, N,Otrong NaNO3

CNaNO3: là nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO3

C Na, CN , CO : nhiệt dung nguyên tử tra bảng I.141-[152- 1]

Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt

* i1, i2 : Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1 và nồi 2, J/kg

* i1’ i2’: Nhiệt dung riêng của hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg

* tso, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, ra nồi 1 và ra nồi 2

Với ts0 tra bảng (I-204) - [236 - 1]

ta có tso = 101,917 0C

Từ (*) ta có

W1= [W(i2’-C2ts2)+Gđ(C2ts2-C1ts1)] / [ 0,95( i2- Cnc22)+ (i2’-C1ts1)]

= [5666,67(2608878-2604,277.75,7652)+8500( 2604,277.75,7652- 3389,163.112,0676)] / [ 0,95(2688450- 4234,121.105,775)+(2608878-

3389,163.112,0676)]

W1 = 2780,021 (kg/h)

Tính D

D=

= [2875,207(2690472-3389,163.112,0676)+8500(3389,163.112,0676- 3358,1 101,917)] / [0,95 (2744000-4285,653.142,9)]

D = 3352,929 (kg/h)

Ta có W2= W - W1 = 2886,649

2 Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi

2.1 Sai số so với giả thuyết ban đầu:

Tra bảng (I-5 ) khối lượng riêng và thể tích của nước ta có:

A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng A= 3,58.10-8

M: Khối lượng mol từng nồi

 M2 = NNaNO3 MNaNO3 + NH2O MH2O

Trong đó: r1, r2 nhiệt trở cặn bẩn 2 bên thành ống

tra bảng( V-1) - trang 4 - sổ tay tập 2 ta có

r1= 0,378.10-3 ( m2.độ/W)

1  ; 

Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt ở nồi 1 là:

T11= 3,2oC và T12 = 2,850C

a.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước :

Hơi nước sau khi ngưng tụ sẽ bám lên thành ống truyền nhiệt tạo thành lớpmàng mỏng, với những thiết bị thường gặp như loại phòng đốt trong tuần hoàn ngoài, phòng đốt trong tuần hoàn trung tâm, phòng đôt treo đều là trường hợp hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt( hơi đốt là hơi bão hòa không chứa khí trơ), màng nước ngưng chảy thành dòng thì hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt được tính theo công thức: V.101-[ 28-2]

1i = 2,04Ai 0,25 ( W/m2.độ )

H: là chiều cao ống truyền nhiệt, H= 2m

r:là ẩn nhiệt ngưng tra theo nhiệt độ hơi đốt

q21 = 4031,4035.7,72076 = 31125,4988 (W/m2.độ)

e.So sánh sai số ta thấy

100% = 100 = 2,0485%

Vì sai số nhỏ hơn 5% nên có thể chấp nhận được

4.Hệ số cấp nhiệt trung bình của nồi 2:

a.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước

Vì sai số nhỏ hơn 5% nên có thể chấp nhận được

5 Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi

5.2.Lượng nhiệt tiêu tốn

Theo sách bài tập quá trình và thiết bị tập 1 ta có

Nồi 1: theo bài thì dung dịch vào thiết bị cô đặc 1 ở nhiệt độ sôi, nên lượng nhiệt cần thiết ở nồi 1 là

Nồi 1: Q1 = = = 1653340,267( W )

W1: lượng hơi thứ nồi 1

Và r1: lượng nhiệt ngưng tụ hơi đốt nồi 1

6.1 Lập tỷ số: Li = Qi/ Ki

Nồi 1: L1 = Q1/ K1 = = 1654,72

Nồi 2: L2 = Q2/ K2 = = 1787,363

6.2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi

Theo công thức trang [331- 3 ] ta có:

F1 = = 56,383 ( m2 )

F2 = = 56,754 (m2 )

Vậy theo phương pháp bề mặt truyền nhiệt bằng nhau

Quy chuẩn theo bảng VI.6 -[ 80 - 2]  Thì Fchuẩn lấy bằng 63 m2

PHẦN III : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN

1.tính buồng đốt

1.1.Số ống truyền nhiệt trong buồng đốt (n)

Số ống truyền nhiệt trong buồng đốt (n) của cả hai nồi bằng nhau và được tính theo công thức:

2

h d

F: bề mặt trao đổi nhiệt của nồi (m2)

dtr: đường kính ống truyền nhiệt (m)

h2: chiều cao ống truyền nhiệt

kề các ống trong các hình viên phân

Số ống trong các hình viên phân

Tổng ống trong các hình viên phân

Tổng ống thiết bị

1.2.Đường kính trong của buồng đốt (D tr )

Đối với thiết bị phòng đốt ngoài

Theo công thức V 140 - [ 49 - 2]

Dtr = t.(b-1) + 4.dn m

Với b: số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh, b= 25 ống

Với d: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = 25.10-3 m

T: Bước ống t = 1,5d = 0,375 m

Thay số vào công thức trên ta có:

Dtr = 0,0375.( 25- 1) + 4.0,025 = 1,0 m

Ta có: Dtr = 1,0m = 1000 mm

Chọn Dtr theo tiêu chuẩn là: 1,0 (m)

1.3 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Đường kính ống tuần hòa trung tâm xác định theo công thức :



= 0,3. .517 =0,076

 Dth = = 0,311 m

Theo bảng XIII.7- [ 360 - 2]

Quy chuẩn đường kính ống tuần hoàn trung tâm Dth = 325 mm

1.4.Chiều dày của buồng đốt (S)

k: hệ số bền, ứng suất chịu kéo nén

Tra bảng XII.4-[ 309- 2] đối với thép CT3 có k  380  10 6N/m2 ; c  240  10 6N/m2

ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền xác định

theo công thức XIII.1 và bảng XIII.3 trang [356 - 2]

6 2

1 10

ứng suất cho phép giới hạn chảy tính theo

công thức XIII.2 và bảng XIII.3 trang [356 - 2]

5 1

1 10

Theo bảng XIII.9 lấy S = 6.10-3 m

1.5.Kiểm tra độ bền theo áp suất thử

1.6.Chiều dày đáy buồng đốt

tính theo công thức XIII.47-[ 385- 2]

(đáy dạng elip có gờ)

D P k

P D

S

b

tr h

.

Trong đó: hb=0.275(m) chiều cao phần lồi của đáy bảng XIII.10

h  0 95 hệ số bền của mối hàn hướng tâm bảng XIII.8 - [362 - 2] k=1 hệ số đối với đáy có lỗ được tăng cứng hoàn toàn

Thay số ta được  = 15.106  200.106  Độ bền đảm bảo an toàn

Vậy chiều dày đáy phòng đốt là: Sd = 6 mm

1.7.Tính toán lưới đỡ

Lưới đỡ ống phải đảm bảo giữ chặt ống sau trong quá trình thiết bị làm việc

Chiều dày Stối thiểu của mạng ống là:

S’ = + Sd = + 6 = 9,125 (mm)

-bền với môi trường hóa chất cũng như hơi nước

S= S’+C = 9,125 +1,6 = 10,725 (mm)

(trong đó: C1=1mm ; C3=0.6mm ; C2=0 )

-giữ nguyên hình dạng của mạng khi gia công cũng như khi hoạt động

Đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi ống là:

-bền dưới tác dụng của các loại ứng suất

Kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn với điều kiện:

u b n

b u

l

S l

2.1.Thể tích của không gian hơi (V b )

 theo công thức VI.32 -[71- 2]

Trong đó: W là lượng hơi thứ ra khỏi thiết bị (kg/h) , W =5666,67 (kg/h) ht: khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m3) , ht = 0,7354 (kg/m3)

Utt: cường độ hơi bốc cho phép trong khoảng không gian hơi (m3/

m3.h).h)

Utt = f.Utt(1at) theo công thức VI.33-[ 72- 2 ]

Chon Utt ở 1at = 1700 (m3/m3.h)

f: hệ số hiệu chỉnh xác định theo đồ thị (VI-3) - [ 72 - 2] f= 0,9

Utt = f.Utt(1at) =0,9 1700 = 1530 (m3/m3.h) theo công thức VI.33-[72-2]

Vb = 5666,67 =2,724 (m3)

Thực tế để giảm sự dao động, áp suất làm việc trong thiết bị cần khống chế hợp

ly sao cho trong buồng bốc và trong buồng đốt có thể tích chất lỏng là nhỏ nhất

2.2.Chiều cao buồng bốc

Hb chiều cao buồng bốc tính theo công thức VI.34- [ 72 - 2] ta có:

ht b

Vì (S-C)<10 (mm) nên thêm 2mm vào C

10 240 2

.

1

2 6

6

m N c

P D

S

b

tr h

.

Trong đó: hb=0.35(m) chiều cao phần lồi của nắp bảng XIII.10

h  0 95 hệ số bền của mối hàn hướng tâm bảng XIII.8

k=1 hệ số đối với đáy có lỗ được tăng cứng hoàn toàn

Quy chuẩn S d  6  10  3 (m) để dễ chế tạo cũng như ghép nối

Kiểm tra độ bền của đáy thiết bị:

-Tra bích của buồng đốt tra bảng XIII.27-[ 421-2] kiểu I có 0.3 < py=0.3924 <

0.6)

Dtrd

(mm)

Kích thước nốiD

Trong đó: w=20(m/s) vận tốc thích hợp của hơi đốt quá nhiệt trong ống

V = = = 1581,5703 (m3/h)

V : lưu lượng hơi đốt trong thiết bị

D: lượng hơi đốt vào nồi 1, D = 3352,929 (kg/h)

hđ : 2,12 (kg/m3) tra theo bảng I 251 - [ 315 -1]

Ta có dtr = = 0,1673 m

Quy chuẩn dtr = 0,2m = 200 mm

tra theo bảng XIII.26-[ 409- 2 ]

bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn

Dy

(mm)

Kích thước nốiDn

(mm)

D(mm)

: vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống chọn  = 0,5(m/s) đối với dung dịch nhớt (tra theo trang [74 - 1]

Lưu lượng dung dịch vào thiết bị: V = , m3/h

Gđ: là lưu lượng dung dịch đầu tra bảng I.57 - [52- 1] ta có

W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1, W1 = 2875,207 kg/h

 :khối lượng riêng hơi thứ ra khỏi nồi 1,  = 0,7354 kg/m3

4.1.4 Đối với ống dẫn dung dịch ra

lưu lượng dung dịch ra tính theo công thức:

V = = = 5,389 m3/h

 : khối lượng riêng của dung dịch trong nồi 1:  = 1043,7 kg/m3

 : vận tốc thích hợp của dung dịch đi trong ống dẫn, chọn  = 0,5 m/s

Khi đó đường kính trong của ống dẫn dung dịch ra là:

4.1.5 Đối với ống tháo nước ngưng.

Chọn đường kính ống tháo nước ngưng lấy bằng:dtr = 50mm

Vậy dtr = 50mm tra theo bảng XIII.26 - [410- 2]

Gnk: là khối lượng nồi không , N

Gnd : là khối lượng nước được đổ dầy nồi , N

5.1.Tính G nk

a Khối lượng đáy lồi và nắp buồng đốt

Tra bảng XIII.11 -[ 384- 2] Chiều dày và khối lượng của đáy và nắp elip có gờ