Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm dùng cho cô đặc dung dịch (NH4)2SO4

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

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc *~ ○*○~*

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Số…………

Họ và tên SV : Nguyễn Thị Onh

Khoa : Công Nghệ Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Xuân Huy

NỘI DUNG

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm dùng cho cô đặc dung dịch (NH4)2SO4 với năng suất 22000 kg/giờ Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m.

Các số liệu ban đầu :

- Nồng độ đầu của dung dịch là: 10%

- Nồng độ cuối là: 35 %

- Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4,1 at

- Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at.

Ngày giao đề :………Ngày hoàn thành:………

Phần I Giới thiệu về thiết bị cô đặc 6

Khái niệm: 6

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 (NH4) 2 SO 4 10

PHẦN 2: VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 11

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 14

3.1:Cân bằng vật liệu 14

3.1.1: Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dungdịch thay đổi từ x đ đến x c : 14

3.1.2: Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi : 14

3.1.3: Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi: 14

3.2: Tính cân bằng nhiệt lượng 15

3.2.1 Xác định nhiệt độ và áp suất của mỗi nồi: 15

3.3:Xác định áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi: 16

3.4: Tổn thất nhiệt độ: 17

3.4.1:Tổn thất nhiệt độ do nồng độ:(’) 17

3.4.2: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh: 18

3.4.3:Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra: 19

3.5:Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống và từng nồi 19

3.5.1 Hệ số nhiệt hữu ích trong hệ thống được xác định: 19

3.5.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi 20

3.6:Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ W1 [kg/h] 20

3.6.1:Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng: 21

3.6.2: Phương trình cân bằng nhiệt lượng ở mỗi nồi như sau: 22

3.7: Bề mặt truyền nhiệt: 23

3.7.1:Các thông số vật lý: 24

3.7.2:Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch : 25

3.7.3:Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi 27

3.7.4:Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 28

3.7.5:Tính hệ số cấp nhiệt  từ bề mặt đốt đến chất lóng sôi 29

3.8:Xác định hệ số truyền nhiệt, lượng nhiệt tiêu tốn từng nồi: 31

3.8.1:Hệ số truyền nhiệt K i 31

3.8.2:Lượng nhiệt tiêu tốn: 32

3.8.3:Hiệu số nhiệt độ hữư ích tỉ lệ với tỷ số 32

3.8.4:Hiệu số nhiệt độ hữư ích: 32

3.9:Tính bề mặt truyền nhiệt F: 33

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 34

4.1 Thiết bị ra nhiệt hỗn hợp đầu:( Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm): 34

4.1.1: Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 34

4.1.2: Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 34

4.1.2: Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 34

4.1.3: Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể: 34

4.1.3.1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ: 34

4.1.3.2: Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 35

4.1.3.3: Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy: 35

4.1.3.4: Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : 37

4.1.3.5: Bề mặt truyền nhiệt : 37

4.1.3.6: Số ống truyền nhiệt : 38

4.1.3.7: Đường kính trong của thiết bị đun nóng 38

4.1.3.8: Tính vận tốc và chia ngăn 39

4.2 Hệ thống thiết bị ngưng tụ Baromet : 41

4.2.1 Tính toán thiết bị ngưng tụ: 42

4.2.2 - Tính toán bơm chân không: 46

4.3 Bơm 47

4.3.1- Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: 48

4.3.2- Năng suất trên trục bơm: 50

4.3.3- Công suất động cơ điện 50

4.4: Xác định chiều cao thùng cao vị: 50

4.4.1 :Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc: 51

4.4.2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp: 53

4.4.3- Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: 55

4.4.4 Chiều cao thùng cao vị: 56

PHẦN 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 59

5.1 Buồng đốt : 59

5.1.2- Xác định số ống trong buồng đốt : 59

5.1.3 Đường kính của buồng đốt : 60

5.1.4 Chiều dày thân buồng đốt : 60

5.1.5 Chiều dày lưới đỡ ống : 62

5.1.6 Chiều dày đáy buồng đốt 64

5.1.7 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm : 66

5.1.8 Tra bích để lắp đáy vào thân : 66

5.2 Buồng bốc 68

5.2.1 Thể tích buồng bốc hơi : 68

5.2.2 Đường kính buồng bốc : 68

5.2.3 Chiều cao buồng bốc : 68

5.2.4 Chiều dày buồng bốc: 69

5.2.5 Tính chiều dày nắp buồng bốc : 70

5.2.6 Tra bích để lắp nắp vào thân : 71

5.3 Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3 , góc đáy 60 o 72

5.4 Tính toán một số chi tiết khác 73

5.4.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi , dung dịch vào ra thiết bị : 73

5.4.2 Tra bích đối với ống dẫn bên ngoài : 75

5.4.3 Tính và chọn tai treo giá đỡ : 78

5.4.4 Tính M dn : 82

PHẦN 6: KẾT LUẬN 84

PHẦN 7: PHỤ LỤC 85

*) Tài liệu tham khảo : 85

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 cần dùng 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, dễ vận 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 dụng hơi 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 dung dịch (NH4)2SO4 ,năng suất 22000kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 10%,nồng độ sản phẩm 35%.

Phần 1: Giới thiệu chung

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Xuân Huy đã hướng dẫn em

hoàn thành đồ án này.

Phần I Giới thiệu về thiết bị 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.

1 Sơ lược về 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:

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.

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.

 Nhóm 3 : Dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy 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 ở điều kiện chân không, áp suất thường, áp suất dư.

Cấu trúc của một thiết bị cô đặc thường có 3 bộ phận chính sau:

- Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đốt nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống.

phải có không gian lớn để tách các dung dịch rơi trở lại bộ phận nhiệt.

- Bộ phận phân ly: Để tác các giọt dung dịch còn lại trong hơi.

Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau:

- Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại.

- Có hệ số truyền nhiệt lớn.

- Tách ly hơi thứ tốt.

- Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.

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: Quá trình 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 mạng lưới tinh thể của chất tanbị phá hủy

Quá trình tỏa nhiệt được tạo thành từ mối liên kết giữa cácphân tử của chất 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 hòa tan 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,còn những 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 bớt nhiệt 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

kế thiết bị cô đặc vì từ nhiệt độ sôi của dung dịch ta sẽ chọn chất tải nhiệt để đốt

thiết bị.

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

P s−P

n N

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 của dung môi trên mặt dung môi nguyên chất luôn luôn lớn hơn áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung dịch khi có nhiệt độ như nhau, cũng từ biểu thức này ta thấy khi tăn gn (tăng nồng độ của dung dịch) thì P sẽ giảm Hiệu số Ps – P = Δ P gọi là độ giảm áp suất của dung môi trên dung dịch Nếu ở nhiệt độ như nhau áp suất của dung môi trên dung dịch luôn nhỏ hơn áp suất của dùng môi trên dung môi nguyên chất thì ngược lại khi có cùng áp suất bên ngoài như nhau nhiệt độ sôi cả dung dịch sẽ luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất

t – ts = Δ ’

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

Δ ’ cũng phụ thuộc nồng độ, nồng độ tăng thì Δ ’ cũng tăng Đại lượng này gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ Trị số của Δ ’ phụ thuộc vào chất hòa tan.

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

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

4 Giới thiệu dung dịch (NH4)2SO4

AMONI SUNFAT khối lượng phân tử là 132,15 ở dạng tinh thể thì

không màu hình thoi, hoặc bột màu trắng, khối lượng riêng là 1,77g/cm3 , t nc

=140℃ , t phanhuy=280℃ Dễ tan trong nước ở 20℃, 100g nước hòa tan được 76g , không tan trong etanol, là chất kết tủa protein Ở điều kiện thường dễ hút ẩm, chảy nước và có mùi khai của amoniac, do muối này bị phân hủy 1 phần thành amoniac và axit sunfuric:

- Làm phân đạm 1 lá nhưng có khả năng làm đất bị chua do bị phân hủy tạo môi trường axit

- Dùng trong lĩnh vực phân tích Đặc biệt là dung dịch muối Mo, hay sắt amonisunfat (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O được sử dụng rất phổ biến trong phân tích

PHẦN 2: VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN

XUẤT

2.1 Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục

SV: Nguyễn Thị Onh 13

2.2 Nguyên tắc hoạt động:

Dung dịch đầu (NH4)2SO4 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 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 (10).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 rồi đi vào bơm chân không (11) ra ngoài.

Áp suất vào nồi một: 4.1at

Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2at

Chiều cao ống gia nhiệt: 2m

- Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/s;

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

3.1.2: Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi :

W1 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1

W2 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2

Chọn tỉ lệ phân bố hơi thứ cho các nồi như sau:W1:W2=1:1

Ta có: W1 + W2 =15714,29

¿>¿ W1=W2=

15714,29

3.1.3: Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi:

Được tính theo công thức VI.2,[2-57]:

(%) W

3.2: Tính cân bằng nhiệt lượng

3.2.1 Xác định nhiệt độ và áp suất của mỗi nồi:

- Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:

ΔΡ2= Ρ2− Ρng⇔ Ρng= Ρ2−ΔΡ2=1,28−1,08=0,2(at )

* Vậy áp suất hới đốt ở từng nồi là:

P1= 4,1at

P2=1,28( at )

* Xác định nhiệt độ hơi đốt, nhiệt lượng riêng và nhiệt hóa hơi ở 2 nồi:

- Tra nhiệt độ hơi đốt Ti của từng nồi dựa vào pi đã tính được ở trên Bằng cách tra bảng I.251, [1-316]

- Nhiệt lượng riêng (i1) và nhiệt hóa hơi (r1) của hơi đốt theo áp suất pi Tra bảng I.251, [1-316].

Nồi 1: với P1= 4,1 (at) ta được:

Nhiệt độ hơi đốt: T1=143,69 ºC

Nhiệt lượng riêng : i1=2744,998.10 3 (J/kg)

Nhiệt hoá hơi : r1=2138,587.10 3 (J/kg)

Nồi 2: với P2=1,28(at), ta được :

Nhiệt độ hơi đốt: T2=105,97 ºC

Nhiệt lượng riêng : i2=2688,797.10 3 (J/kg)

Nhiệt hoá hơi : r2=2244,192.10 3 (J/kg)

Thiết bị ngưng tụ: với Png =0,2 (at), ta được:

tng =59,7ºC

i3=2607.10 3 (J/kg)

r3=2358.10 3 (J/kg)

3.3:Xác định áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:

Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:

Giả sử tổn thất 2 nồi bằng nhau: thông thường ta thưòng lấy Δ1''' =

Nhiệtlượngriêngi.10

3

(J/kg)

Nhiệthóahơir.10

3

(J/

kg)

ÁpsuấtP’

(at)

Nhiệt

độ T’

(ºC)

Nhiệtlượngriêngi’.10

3

(J/

kg)

Nhiệthóa hơir’.10 3(J/kg)

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

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

Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh Δ ’’ (tổn thấtnhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao):

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:

P tb=P0+(h1+h2

2 )ρ dds⋅g

, N/m2; Trong đó :

P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2;

h1 - chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặtthoáng của dung dịch, m;

h2 - chiều cao ống truyền nhiệt, m;

ρ dds - khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3;

g – gia tốc trọng trường, m/s2

Vậy ta có: Δ ’’ = ttb – t0 , độ;

ở đây: ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C;

t0 - nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất p0, 0C

t0 nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất p0, 0C tra được ở bảngI.32,STQTTB1/38

Nồi 2: Ptb= P0+( Δh+ h

2 ) ρdds⋅ g

(N/m2)

3.4.3:Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra:

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 chọn tổn thất nhiệt độ mỗi nồi: 1,1ºC

Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra cả hệ thống 

∑Δ,,,=Δ1,,,+Δ2,,,=1+1,1=2,2° C

Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống:

’ + ’’ + ’’’ = 4,041 + 21,15 + 2,2 = 27,3910C

3.5:Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống và từng nồi

3.5.1 Hệ số nhiệt hữu ích trong hệ thống được xác định:

Δthi= Δtch− ∑ Δ (CT VI.16/ST2 –T67)

Δtch= Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt

độ ngưng ở thiết bị ngưng tụ.

Δt ch=t hd−t nt=143 ,60−59,7=83 ,99°C (CT VI.16/ST2 – T67) Vậy :

Δt hi=83,99−27,391=56,599° C

3.5.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi

Nhiệt độ sôi của dung dịch trong mỗi nồi:

3.6:Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ W1 [kg/h]

3.6.1:Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng:

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống

D.i1 W1 i1' W1 i2 W2 i2'

Qm1 Qm2

(Gd -W1 -W2 )C2 ts2

Gd ts0 Cd (Gd - W1 )C1 ts1

D.Cp1 1 W1 Cp2 2

Trong đó:

D - Lượng hơi đốt tiêu tốn ,(kg/h) ;

Gđ - Lượng dung dịch đầu vào, (kg/h);

W, W1, W2 - Lượng hơi thứ bốc lên trong cả hệ thống ,nồi 1 và nồi 2; Kg/h

tso, ts1,ts2 -Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu ra khỏi nồi 1, nồi2;0C

i1,i2 - Nhiệt lượng riêng của hơi đốt nồi1, nồi2; J/kg

i1’,i2’ - Nhiệt lượng riêng của hơi thứ nồi1, nồi2; J/kg

Ө1, Ө2 - Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2; 0C

* 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 = 10 % Áp dụng công thức I.43, [1-152] Đối với dung dịch loãng (x<0,2):

C= 4186 (1- x) (J/kg.độ)

Ta có: Co = 4186 (1 - 0,1) = 3767,4 (J/kg độ)

- Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x1 = 15,56 %.

Áp dụng công thức I.43, [1-152] Đối với dung dịch loãng (x<0,2):

C1 = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,1556) =3534,658(J/kg.độ)

- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x2 = 35 %.

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 được xác định theo công thức

I.41, [1-152]:

M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 + n4.c4Trong đó: M: Khối lượng phân tử của (NH4)2SO4 KOH ; M = 132

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

θ1=143,690C tra bảng I.249-QTTBT1- T311.Ta có:

Do đó có thể chọn: ts0 = ts1= 115,8880C

3.6.2: Phương trình cân bằng nhiệt lượng ở mỗi nồi như sau:

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

*Nhiệt lượng vào gồm có:

-Nhiệt do hơi đốt mang vào: D.ih

- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: GđCđtđ

- Nhiệt do dung dịch sau nồi 2 mang vào: (Gđ - W1)Cđts1

- Do dung dịch mang ra: (Gđ-W)C2ts2

- Do tổn thất chung : Qm2 = 0,05 W1(i2 – Cn2Ө2)

Trong đó:

D - Lượng hơi đốt tiêu tốn ,(kg/h) ;

Gđ - Lượng dung dịch đầu vào, (kg/h);

W, W1, W2 - Lượng hơi thứ bốc lên trong cả hệ thống ,nồi 1 và nồi 2; Kg/h

tso, ts1,ts2 -Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu ra khỏi nồi 1, nồi2;0C

i1,i2 - Nhiệt lượng riêng của hơi đốt nồi1, nồi2; J/kg

i1’,i2’ - Nhiệt lượng riêng của hơi thứ nồi1, nồi2; J/kg

Ө1, Ө2 - Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2; 0C

*Phương trình cân bàng nhiệt lượng ở mỗi nồi như sau;

- Chọn t2= 200C, ta có µ2= 0,96.10-3 (N.s/m2)  θ2= 21,910C

Tra µ1, µ2 dựa vào bảng ( I.107 ─ ST1 ─ T100)

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

k = t1−t2

θ1−θ2=

30−2030,64−21,91=1,145

3.7.2:Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch :

Hầu hết các chất lỏng đều có độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng ( trừ nước vàglyxêrin) Đối với chất lỏng, độ dẫn nhiệt có thể được tính theo công thức sau:

dd = Acp

3

√M ρ (W/m.độ) công thức [1.4 -CQTTB- T3-T9] (W/m.độ) công thức [1.4 -CQTTB- T3-T9]

Trong đó: A – là hệ phụ thuộc vào mức độ lien kết của chất lỏng; A=3.58.10-8;

Cp - Nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/kg.độ

- Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m

(*) Nhiệt dung riêng của nước ở mỗi nồi:

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





t1

t2

+) Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi:

Giả thiết rằng chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt là ∆t1i

Hệ số cấp nhiệt α1 được tính theo công thức:

α 1i - Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i ,W/m2.độ;

∆t1i - Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường ttiếp xúcvới hơi ngưngcủa nồi i (oC)

Trong đó :ti1 = tng -tt1 vớt tng: Nhiệt độ nước ngưng chọn tng=th

H - chiều cao ống gia nhiệt;

Tra ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà theo nhiệt độ của hơi đốt ở bảng STQTTB- T1 –T314

Ống dẫn nhiệt làm bằng thép CT3 có chiều dày δ =2 (mm) nên :

λ : hệ số dẫn nhiệt , W/m độ

ρ :khối lượng riêng , kg/m3

C: nhiệt dung riêng , J/kg độ

Quy chuẩn F= 180,27 (m2)

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

4.1 Thiết bị ra nhiệt hỗn hợp đầu:( Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm): 4.1.1: Nhiệt lượng trao đổi :( Q)

Q = F.Cp.(tF – tf) [W]

Trong đó : F: lưu lượng hỗn hợp đầu F = 22000(kg/h)

tf : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tF = tso =115,888 (oC)

Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại Δt = 115,888 - 25 =90,888 oC

Nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là:

4.1.3: Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể:

4.1.3.1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:

Công thức tính: α = 2,04.(

r Δt1.H )0,25