Đồ án CÔ ĐẶC (NH4)2SO4 ống tuần hoàn TRUNG TÂM

Sơ lược về quá trình cô đặc Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích :  Làm tăng nồng độ chất tan.. Đặc

Bộ Công Thương

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa: Công nghệ Hóa

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Xuân Huy

NỘI DUNG

Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch (NH4)2SO4 với năng suất 15000 kg/giờ Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m

Các số liệu ban đầu:

- Nồng độ đầu của dung dịch: 10%

- Nồng độ cuối của dung dịch: 37%

- Áp suất hơi đốt nồi 1: 4,1 at

- Áp suất hơi ngưng tụ: 0,3 at

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác Một trong những hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là (NH4)2SO4 vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó

Trong quy trình sản xuất (NH4)2SO4, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng Nó đưa dung dịch (NH4)2SO4 đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình kết tinh nếu cần

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn trung tâm cho dung dịch (NH4)2SO4: năng suất 15000 kg/h, nồng độ đầu vào 10% KL, nồng độ cuối 37% KL, áp suất hơi đốt 4,1 at, áp suất hơi ngưng tụ 0,3

at, chiều cao ống gia nhiệt 2m

Đối với một sinh viên nghành hóa,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 sâu sắc 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 các thông số cụ thể Tuy nhiên, quá trình thiết bị là môn học rất khó mà kiến thức thực tế của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót Vì vậy kính mong nhận được sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, Cô và các bạn sinh viên để đồ

án này được hoàn thiện hơn

Và cuối cùng em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy cô khoa Công Nghệ Hóa, đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Xuân Huy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho em làm đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!!!.

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG1: Giới thiệu chung về Amoni sunfat (NH 4 ) 2 SO 4

1.1: Tính chất vật lý của (NH 4 ) 2 SO 4

- Amoni Sunfat có dạng tinh thể nhỏ không màu, tan nhiều trong nước, khi tan điện phân hoàn toàn thành các ion Amoni Sunfat không tan trong Etanol và là chất kết tủa Protein

- Ở điều kiện thường, Amoni Sunfat dễ hút ẩm, chảy nước và có mùi khai của Amoniac, do muối này phân hủy một phần thành Amoniac và Axit Sunfuric:

- Độ tan trong nước: 744g/l (20°C)

- Muối Amoni có khả năng làm cho đất chua thêm (có pH<7)

1.3: Điều chế (NH 4 ) 2 SO 4

1.3.1: Cơ sở chung của phương pháp

Amoni Sunfat được tạo ra bằng cách xử lý Amoniac, thường là một sản phẩm từ lò than cốc với Axit Sunfuric

Quá trình tổng hợp được thực hiện nhờ phản ứng của NH3 với H2SO4, sau đó dung dịch (NH4)2SO4 được tiếp tục tuần hoàn qua hệ thống thiết bị bay hơi để cô đặc dung dịch và tạo tinh thể Các tinh thể (NH4)2SO4 được tách ra tinh thể nhờ thiết

bị quay ly tâm và nước cái được quay trở lại tháp bay hơi Sau nhiều quá trình, tinh thể được làm khô bằng phương pháp ly tâm và tạo hình trước khi đưa đi đóng bao

1.3.2: Các phương pháp sản xuất (NH 4 ) 2 SO 4

1.3.2.1: Từ Amoniac và Axit Sunfuric

(*) Từ khí cốc

- Phương pháp bão hòa

Khí lò cốc được sục qua dung dịch ở thiết bị bão hòa 60-80°C, Sản phẩm được lấy ra liên tục dưới dạng kết tinh

- Phương pháp không bão hòa

NH3 chứa trong lò khí cốc được đưa vào thiết bị rửa khí có vòng đệm và tướibằng dung dịch loãng có nồng độ từ 5-6% có chứa Amoni Sunfat ở 4755°C Khi dung dịch rửa đạt bão hòa về nồng độ người ta đem đi kết tinh sẽ thu được tinh thể lẫn trong dung dịch, đem hỗn hợp đi lọc, tách phân chia sản phẩm ta được

(NH4)2SO4 tinh thể

1.3.2.2: Sản xuất Amoni sunfat từ thạch cao

Từ dung dịch Amoni Cacbonat cho tác dụng với thạch cao ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phân hủy của (NH4)2CO3 theo phản ứng:

(NH4)2CO3 + CaSO4 → (NH4)2SO4 + CaCO3↓

Kết quả thu được Amoni Sunfat và kết tủa Canxi Cacbonat, đem lọc tách bã Canxi Cacbonat và đem đi cô đặc kết tinh thu được sản phẩm Amoni Sunfat.

1.4: Ứng dụng của (NH 4 ) 2 SO 4

1.4.1: Trong nông nghiệp

- Amoni Sunfat được dùng để cung cấp N và S – là hai dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng Vì nguyên tố Nitơ ở dạng Amoni, Amoni Sunfat thường được dùng trên đất ngập nước để tăng năng suất cây lúa, trong khi các phân dạng Nitrat ít đượcdùng do thất thoát trong quá trình khử Nitơ

- Đạm phân Amoni Sunfat được dùng chuyên để bón các loại cây cần nhiều Lưu huỳnh và ít Nitơ như: đậu, đỗ, lạc,… và các loại cây vừa cần nhiều Lưu huỳnh

và cần nhiều Nitơ như ngô,… Do đạm Sunfat là loại phân có phát huy tác dụng nhanh đối với cây trồng nên thường được dùng để bón thúc và bón thành nhiều lần

2: Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất

2.1 Giới thiệu chung về cô đặc.

Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công nghiệp khác nói chung, thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi Để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc

Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất,

nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung môi ở dạng nguyên chất Dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu Thiết bị dùng để cô đặc gồm nhiều loại như: Thiết bị cô đặc

có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng,thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặctuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm…

Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như mong muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

2.2 Sơ lược về quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất

tan 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 chân không, 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 phân

hủy vì nhiệt

 Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị

phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

 Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra

ngoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm tăng nồng độ dung dịch

nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc.

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng

hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu

tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở

nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung

nóng 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,làm việc gián đoạn hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng,nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm, ví

dụ: cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm

Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết bị côđặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quả kinh tế không

cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,nên người ta thường chọn cô đặcnhiều nồi.

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

nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt

Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ

nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốchơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần 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 thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việctrong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

2.3 Dây chuyền sản xuất:

Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn trung tâm:

11 Bơm chân không

12 Thùng chứa nước ngưng

2.4 Thuyết minh dây chuyền công nghệ

Dung dịch NaOH ban đầu được chứa trong thùng chứa dung dịch đầu (1), dùng bơm (2) để đưa nguyên liệu vào thùng cao vị (3), thùng cao vị được thiết kế

có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó chảy qua lưu lượng

kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) (thiết bị ống chùm) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bảo hòa cung cấp từngoài vào, rồi đi vào nồi (6) Ở nồi này dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết

bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch 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 Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn sang buồng đốt của thiết bị (7) Dung dịch từ nồi (6) di chuyển qua nồi thứ (7) nhờ 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 thứ (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 (10) qua thiết bị bơm (2).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 hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt hơi

sẽ được bơm chân không (11) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng.

- Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi mà không cần dùng bơm

- Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi đều

có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi đó ( trừ nồi đầu), kết quả là dung dịch sẽ nguội đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi đi một lượng dung môi ( quá trình tự bốchơi )

- Dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nồi sau, do đó cầnphải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ

- Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối

PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH1: Các thông số ban đầu:

- Dung dịch cần cô đặc : NaOH

- Năng suất tính theo dung dịch đầu G = 15000 (kg/h)

- Nồng độ đầu xđ = 10% khối lượng.

- Nồng độ cuối xc = 37% khối lượng

- Áp suất hơi đốt P1 = 4,1 at

- Áp suất hơi ngưng tụ Png = 0,3 at

- Chiều cao ống gia nhiệt H = 2m

W: lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống ,(kg/h)

Gđ: lượng dung dịch đầu ,(kg/h)

xđ, xc: nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng

2.2: Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : W1 (kg/h)

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 : W2 (kg/h)

Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là : W1: W2 = 1:1

Ta có hệ: W1 = W2 W1 = 5472,973 (kg/h) W=W1+W2=10945,946 W2 = 5472,973 (kg/h)

2.3: Nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi

Theo công thức (VI.2c-ST2-T54), Ta có :

: là chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống

P1 : áp suất hơi đốt vào nồi 1

Pnt : áp suất hơi ngưng tụ

3.2 Chênh lệch áp suất, nhiệt độ của mỗi nồi

Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:

 Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi:

Dựa vào áp suất, tra bảng (I.251-ST1-T314), Ta được :

Ở nồi 1 : P1 = 4,1 at  t1 = 143,720C

Ở nồi 2: P2 = 1,562 at  t2= 111,940C

Hơi ngưng tụ: P = 0,3 at => t = 68,70C

3.4 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi

Nhận xét: Hơi thứ của nồi 1 được dẫn sang nồi 2 và trở thành hơi đốt của nồi

2, hơi thứ của nồi 2 đi sang thiết bị ngưng tụ.Quá trình này sẽ chịu tổn thất về nhiệt

độ do trở lực học trên ống dẫn gây ra

Do đó :

- Nhiệt độ của hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ của hơi thứ nồi trước trừ đi 10 C

- Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối cùng bằng nhiệt độ hơi ngưng tụ của thiết bị

baromet cộng thêm 10C

Gọi:

- t1', t2' : Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1, nồi 2

- P1’ , P2’ : Áp suất hơi thứ của nồi 1, nồi 2

- : Tổn thất do trở lực đường ống

 Nhiệt độ hơi thứ trong các nồi :

Theo công thức : ,Ta có :

Hơi đốt P1= 4,1 t1=143,72 P2=1,562 t2=111,94

Png=0.3 tng=68.7Hơi thứ P’1=1,613 t’1=112,94 P’2=0,315 t’2 =69,7

3.5 Tính tổn thất nhiệt lượng cho từng nồi

 Nhận xét: Tổn thất nhiệt độ trong thiết bị cô đặc bằng tổng tổn thất

nhiệt độ do nồng độ dung dịch tăng cao, do áp suất thủy tĩnh và do trởlực thuỷ lực trong ống dẫn của các nồi

Gọi là tổn thất nhiệt độ của dung dịch so với dung môi nguyên chất Trong

cô đặc thường gọi đó là tổn thất nồng độ phụ thuộc vào nồng độ chất tan, áp suất,

bản chất của chất tan và dung môi

Áp dụng công thức (VI.10 ─ ST2 – T59) :

Trong đó:

’o : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường

T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,

r: Nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg

Tra bảng (VI.2 ─ ST2 – T61) :

 Nồi 1: x1 = 15,744 % => ∆’01 = 1,187

Nhận xét: Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu Trên mặt

thoáng nhiệt độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu thì nhiệt độ càng tăng, nguyên nhân

là do cột áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng

- Áp dụng công thức (VI.13 ─ST2─T60):

: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at)

:chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m)

: chiều cao của ống truyền nhiệt (m)

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

dds = 0,5 dd(20˚C)

ttb: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb (0C)

to : Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Po (0C)

Vậy tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh của từng nồi là :

∆”1 = ttb1 – t01 = 114,41 – 112,94 =1,47 oC

∆”2 = ttb2 – t02 = 75,675 – 69,7 = 5,975 oC

=> ∑∆” = ∆”1 + ∆”2 = 1,47 + 5,975 = 7,446 oC

3.5.3 Tổn thất do đường ống

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

nối giữa nồi 1 và nồi 2, giữa nồi 2 và thiết bị ngưng tụ.Ta chọn tổn thất

nhiệt độ do đường ống là 1oC

Vậy:

tổng tổn thất nhiệt độ là:

∑∆ = ∑∆’ +∑∆” + ∑∆”’= 4,589 + 7,446 + 2 = 14,035 oC

3.6 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi

3.6.1 Xác định hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống

Vậy các dữ kiện được chọn đã thỏa mãn.

3.7 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống:

D.i W1 i1 W1 i2 W2 i3

Qm1 Qm2

(Gd-W1

-W2)Cn2 ts2

Gd tso Cd (Gd - W1 )C1 ts1 D.Cn1  W1 1 Cp2  2

Trong đó :

- D:Lượng hơi đốt vào kg/h

- :hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ J/kg

- : Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2

- Cd, C1,Cn1,Cn2,C2: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ,cuối và nước ngưng

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

- Gd : lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị

- W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2

3.7.1 Nhiệt lượng vào gồm có:

 Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i

Nhiệt do dung dịch mang vào : Gd.tso Cd

 Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2

Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1

3.7.2 Nhiệt lượng mang ra:

3.7.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

Các phương trình được thành lập dựa trên nguyên tắc :

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

 Nhiệt độ sôi của dung dịch

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 quá trình sản xuất khác

Vì vậy ta có thể chọn : ts0 = ts1 = 115,697oC

ts2 = 78,977oC

 Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi

Tra theo bảng (I.249─ST1 – T310)

1 = 143.72 oC  Cn1 = 4296.3 (J/kg độ)

2 = 111.94 oC  Cn2 = 4236.298 (J/kg độ)

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

 Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x d = 10%

Đối với dung dịch loãng ( x < 0,2 ) ta áp dụng công thức (I.43 ─ST1 – T152), ta có:

Cd = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,10) = 3767,4 (J/kg độ)

 Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x 1 = 15,56%

C1 = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0.15744) = 3526,956 (J/kg độ)

 Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ xc = 37 %

Đối với dung dịch đậm đặc (x > 0,2) ta áp dụng công thức (I.44 ─ ST1 ─ T152)

Bảng 3

Nồi C

J/kg độ

CnJ/kg độ , C W , kg/h Sai số

CBVC CBNL

1 3526,956 4296,3 143,72 5472,973 5389,855 0,081 %

2 2247,49 4236,298 111,94 5472,973 5556,091 0,081 %

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W1 : W2 = 1: 1.745

Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân bằngvật chất < 5% ,vậy thoả mãn

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

4.1.Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi.

W/m2 độ

Trong đó:

- : hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i W/m2 độ

- : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng của nồi I, o C

Thay vào phương trình (4) ta được:

Thay vào PT (3) ta có hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt của mỗi nồi là:

Khối lượng riêng, kg/m3.

C: Nhiệt dung riêng, J/kg độ

μ: Độ nhớt, Cp

λ, 𝜌,­C,­μ: Lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch

ts1 = 115,697oC

ts2 = 78,977oC

4.3.1 Khối lượng riêng

- Khối lượng riêng của nước: tra bảng (I.249 ─ ST1 – T310)

4.3.2 Nhiệt dung riêng

- Nhiệt dung riêng của nước: Tra bảng ( I.249 ─ ST1 – T 310 ):

ts1 = 115,697°C => Cnc1 = 4242,685 J/kg độ

4.3.4 Độ nhớt

 Độ nhớt của nước tra bảng (I.104 ─ ST1 – 96) & (I.102 ─ ST1 – 95):

ts1 = 115,697°C => μnc1 = 0,242 (Cp)

ts2 = 78,977°C => μnc2 = 0,361 (Cp)

 Độ nhớt của dd (NH 4 ) 2 SO 4 tại nhiệt độ sôi:

Sử dụng công thức Paplov (I.17 ─ ST1 ─ T85):

Tra µ1, µ2 dựa vào bảng ( I.107 ─ ST1 ─ T101)

Tra θ1, θ2 dựa vào bảng ( I.102 ─ ST1 ─ T94)

- Chọn t2= 400C, ta có µ2= 0,786.10-3 (N.s/m2) �θ2= 30,880C

Tra µ1, µ2 dựa vào bảng ( I.107 ─ ST1 ─ T101)

Tra θ1, θ2 dựa vào bảng ( I.102 ─ ST1 ─ T94)

Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi hoàn toàn xác định như sau:

Vậy giả thiết được chấp nhận

5 Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi

Áp dụng công thức:

N/m2 độTrong đó:

- qtbi : Nhiệt tải riêng trung bình của từng nồi, W/m2

- Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi, oC (xem bảng 2)

Ta có:

6.2.Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi :

 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức:

Vậy:

7 So sánh T i ', T i tính được theo giả thiết phân phối áp suất

Nhận xét: Sai số này nhỏ hơn 5%, vậy phân phối áp suất như trên là hợp lý

Ta có: F1 = F2

Ta theo bảng (VI.6 ─ ST2 ─ T80) thì Fchuẩn lấy bằng 80 (m2 )

PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ1.Thiết bị gia nhiệt hổn hợp đầu

Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị đun nóng loại ống chùm ngược chiều dùng hơi nước bão hòa ở 4at, hơi nước đi ngoài ống từ trên xuống, hỗn hợp nguyên liệu đi trong ống từ dưới lên

Ở áp suất 4 at  t1=143,72 oC ( Tra bảng I.251 ─ ST1 ─ T315 ).

Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng (25oC) đi ra ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (tso = 115,697oC)

Chọn loại ống thép CT3 đường kính d =382mm,l =2 m với khản năng chịu ăn mòn của dung dịch (NH4)2SO4 có nồng độ 37% với nhiệt độ không quá 120.0C

1.1.Nhiệt lượng trao đổi

Q = G.Cp.(tc – tđ)(W)

Trong đó:

G: Lưu lượng hỗn hợp đầu G= 15000 kg/h

Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Cp=Cd = 3767,4 J/kg.độ

tc: Nhiệt độ cuối của dung dịch, tc= tso= 115,697 oC

tđ: Nhiệt độ đầu của dung dịch, lấy bằng nhiệt độ môi trường, tđ= 25oC

Thay số vào ta có nhiệt lượng trao đổi của dung dịch là:

Phía hơi hỗn hợp: t2tb = thđ - ∆ttb = 143,72 – 62,891= 80,829oC

1.3.Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

1.3.1 Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ

Thay số vào tính được:

1.3.2.Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

+ Hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống:

∆tt= tt1 – tt2 = q1.Trong đó:

tt2: Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp

: Tổng nhiệt trở ở 2 thành ống truyền nhiệt

Với r1 , r2 : nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường ( bên ngoài cặn bẩn của nước ngưng, bên trong cặn bẩn do dung dịch)

- Tra theo bảng ( V.I ─ ST2 – T4 ):

Cpt: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp, Cpt = C1 = 3526,956 J/kg.độ

μ: Độ nhớt của hỗn hợp tra bảng I.107/ST1-T101 ta có μ = 0,705.10-3 Ns/m2

Thay số ta có hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy:

- Nhiệt tải riêng về phía dung dịch:

- Kiểm tra sai số :

1.4.Bề mặt truyền nhiệt

Công thức tính: tb

Q F q



Trong đó: Nhiệt lượng trao đổi Q = 1423716,158 W

qtb : nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch

Thay số vào ta có:

1.5.Số ống truyền nhiệt

Công thức tính: .

F n

d H





Trong đó: F: Bề mặt truyền nhiệt F = 46,579 m2

d: Đường kính ống truyền nhiệt d = 0,034 m

H: Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 2 m

xuyên tâm

của hình

sáu cạnh

Tổng số ốngkhông kể cácống trong cáchình viênphân

Số ống trong các hìnhviên phân Tổng số ống

trong tất cảcác hìnhviên phân

Tổng

số ốngthiết bịDãy 1 Dãy 2 Dãy 3