Đồ án quá trình thiết bị cô đặc

quá trình thiết bị hóa, thiết kế hệ thống thiết bị, cô đặc dung dịch KOH, công nghệ hóa học, thiết bị hóa học,luận văn cơ khí

Đồ án Quá trình thiết bị cô đặc

Chính vì thế, để thiết kế được một đề tài, sinh viên chúng em cần phải nắmvững tổng quát các kiến thức về các quá trình trong thủy lực, truyền nhiệt vàchuyển khối Cũng như ở đồ án môn học này, chúng em nhận nhiệm vụ “ thiết kế

hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3 ba nồi xuôi chiều”

Cấu trúc của tập đồ án này, chúng em xin chia ra làm như sau:

 Mục lục

 Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế,

chọn phương án thiết kế

 Chương II: Tính toán công nghệ thiết bị chính

 Chương III: Tính và chọn thiết bị phụ

 Chương IV: Kết luận

 Tài liệu tham khảo

Đây cũng là những bước đi đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới

mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan củacác thầy cô sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với chúng em, để những lần thiết

kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô bộ môn Công nghệHóa Học- Dầu và Khí đã trang bị cho chúng em những kiến thức nền tảng làm cơ

sở, cho chúng em thực hiện đồ án này Chúng em cũng xin rất cảm ơn thầy LêNgọc Trung đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thiếtkế

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG

ÁN THIẾT KẾ.

1.1 Tổng quan về sản phẩm.

Vấn đề hóa chất trong thực phẩm là mối quan tâm của rất nhiều người trongchúng ta Dù ăn ở nhà hay ăn ở tiệm chúng ta cũng không thể nào tránh khỏi đượchóa chất Hầu như hóa chất hiện diện khắp mọi nơi, mọi chỗ Ăn một tô phở, ănmột gói mì, uống một lon coca, thậm chí nhai một thỏi chewing gum, chúng tacũng đã vô tình nuốt vào người một số chất hóa học nào đó Tùy loại hóa chất, tùytheo ăn uống nhiều hay ít, ăn uống có thường xuyên hay không và đôi khi cũng còntùy theo người ăn, có người ăn vào thì không hề hấn gì, có người khác thì bị phảnứng ngay lập tức, chẳng hạn như ngứa ngáy, nổi mề đay, khó thở… Cuộc sốngcàng văn minh tiến bộ, con người càng phải đối đầu nhiều hơn với hiểm hoạ hóachất cũng như chất phụ gia…

Trên thị trường có 4 dạng muối nitrit, nitrat dùng trong bảo quản thực phẩmnhưsau: KNO2, NaNO2, KNO3, NaNO3 Ở đây chúng em chỉ đề cập đến NaNO3

1.1.1 Nhận dạng hóa học

Tên khoa học: Sodium Nitrate.

Tên thường gọi: Muối natri nitrat, Sô đa nitơ Muối này còn được biết đến

với cái tên diêm tiêu Chile hay diêm tiêu Peru ( do 2 nơi này có lượng trầm tích lớnnhất)

1.1.2 Tính chất vật lý cơ bản.

 Dạng tồn tại: tinh thể trắng dạng hạt hoặc bột màu trắng

 Mùi: không mùi

 Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO3 là chất oxi hóa mạnh nó

có thể oxi hóa Mn2+ → MnO42- , Cr3+ → CrO42-

MnSO4 + 2KNO3 + 2Na2CO3 = Na2MnO4 + 2KNO2 + Na2SO4 + 2CO2

 Điểm sôi: 3800C ( nóng chảy)

 Ít tan trong metanol ( CH3OH ) : 1g/ 300 ml.

 Rất ít tan trong axeton và glycerol

 Tan rất tốt trong amoniac

 Độ ổn định:

 Phản ứng mạnh với các chất dễ cháy, hữu cơ

 Có phản ứng với các loại chất khử, acid

1.1.3 Tính chất độc hại

 Gây nhiễm độc máu, làm mất khả năng vận chuyển oxy của hồng

cầu hiện tượng tím tái và hôn mê

 Có thể gây đột biến gen (ảnh hưởng tới các tế bào gốc)

 Có thể gây hại cho sức khỏe sinh sản

 Có thể là nguyên nhân gây ung thư

 Da: gây kích ứng khi tiếp xúc: tấy đỏ, ngứa, đau nhức

 Mắt: gây ảnh hưởng tương tự khi rơi vào mắt

 Hít nhầm: gây hại cho hệ hô hấp khi hít phải: ho, thở gấp

 Nuốt nhầm: có thể gây ngộ độc nghiêm trọng

1.1.4 Triệu chứng lâm sàng khi ngộ độc nitrat:

Viêm dạ dày, đau bụng, buồn nôn và nôn mửa, tiêu chảy, yếu cơ, chóng mặt,mệt mỏi, đau đầu, rối loạn tinh thần, mất tập trung, tăng nhịp tim, tụt huyết áp, khóthở …

1.1.5 Đặc tính cháy nổ:

 Có thể làm tăng tốc độ cháy của lửa

 Tăng khả năng bắt cháy của các chất dễ cháy (gỗ, giấy …)

 Cháy bùng thành ngọn lửa khi nung nóng đến 540°C

 Dễ bắt cháy khi nung nóng nếu trộn lẫn với than củi

 Dễ bắt lửa khi tiếp xúc các chất hữu cơ, dễ cháy

 Nổ:

 Gây phản ứng nổ với các hợp chất hydrocarbon

 Tương tác với amidosulfate (sulfamate) khi nung nóng có thể gây

nổ mạnh do tạo ra N2O và hơi nước

 Khi trộn lẫn với bột nhôm hoặc oxit nhôm.

1.1.6 Điều chế và ứng dụng

 Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa KNO3 và NaCl:

KNO3 + NaCl = NaNO3 + KClHoà tan muối loãng KNO3 và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kếttinh KCl ở nhiệt độ 300C Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độdưới 220C sẽ kết tinh NaNO3

 Natri nitrat được sản xuất trong công nghiệp bằng phản ứng trung

hoà HNO3 với Na2CO3

HNO3 + Na2CO3 = NaNO3 + CO2 + H2O

Nó có thể dùng trong sản xuất HNO3 khi phản ứng với H2SO4 rồi tách HNO3

ra thông qua quá trình chưng cất phân đoạn, còn lại là bã NaHSO4 Những ngườisăn vàng dùng natri nitrat để điều chế nước cường toan có thể hoà tan vàng và cáckim loại quý khác

NaNO3 còn được dùng chung với KNO3 cho việc bảo quản nhiệt, và gầnđây, cho việc chuyển đổi nhiệt trong các tháp năng lượng mặt trời Ngoài ra nó còndùng trong công nghiệp nước thải cho sự hô hấp tuỳ ý của vi sinh vật

1.2 Khái niệm chung về cô đặc

Cô đặc là quá trình đun sôi dung dịch, làm bay hơi một phần dung

môi trong dung dịch, kết quả thu được dung dịch đậm đặc hơn dung dịch ban đầu,dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ

Ứng dụng của quá trình bay hơi( cô đặc) là làm tăng nồng độ của chất hòatan trong dung dịch; tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn ( kết tinh); tách dung môi ởdạng nguyên chất ( nước cất) Nó có 2 phương pháp cô đặc:

 Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi 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 một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dungmôi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụnglên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khiphải dùng đến thiết bị làm lạnh

Quá trình cô đặc khác quá trình chưng cất ở chỗ: trong qúa trình chưng cất

cả 2 cấu tử đều bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp Còn cô đặc chỉcho dung môi bay hơi, còn chất tan không bay hơi

Cô đặc bao gồm hệ thống cô đặc một nồi và nhiều nồi Với cô đặc một nồithường được ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế.Còn cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩakinh tế cao về sử dụng nhiệt.

1.3 Cấu tạo thiết bị cô đặc

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, các loại thiết bị cô đặc đun nóngbằng hơi nước phổ biến, loại này gồm 2 bộ phận chính:

- Bộ phận đun sôi dung dịch ( phòng đốt)

- Bộ phận bốc hơi( phòng bốc hơi) là 1 phòng trống

Khi cấu tạo thiết bị cần chú ý những yêu cầu sau:

- Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa và lắp ghép, các chi tiết

phải quy chuẩn hóa, giá thành rẻ

- Đáp ứng yêu cầu kĩ thuật: chế độ làm việc ổn định ít bám cặn, dễ

làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra

- Cường độ truyền nhiệt lớn

Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:

- Theo sự bố trí bề mặt truyền nhiệt: loại nằm ngang, loại thẳng

đứng, loại nằm nghiêng…

- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi( hơi nước bão hòa, hơi quá

nhiệt), bằng khói lò, bằng dòng điện, bằng các chất tải nhiệt đặc biệt( dầu,hydrocacbon)

- Theo tính chất tuần hoàn của dung dịch: tuần hoàn tự nhiên hay

cưỡng bức

- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: loại vỏ bọc ngoài, ống chùm,

ống xoắn…

1.4 Nhiệm vụ thiết kế.

Trong đồ án này, yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3

ba nồi xuôi chiều phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài kiểu đứng với yêu cầu côngnghệ như sau:

Năng suất tính theo dung dịch đầu: 14 tấn/h

Nồng độ đầu của dung dịch: 10% khối lượng

Nồng độ cuối của dung dịch: 36% khối lượng

Áp suất hơi đốt nồi 1: 4,5 at

Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,1 at

1.4.1.Ưu - nhược điểm của thiết bị

dung dịch đi vào mỗi nồi( trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, do đódung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước,gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu, có nhiệt độ tháphơn nhiệt độ sôi, do đó cần phải tốn 1 lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậydung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ haynước ngưng tụ.

 Quá trình cô đặc rất tiết kiệm năng lượng cần sử dụng, vận tốc tuần hoàn lớn vì ống tuần hoàn không bị đôt nóng dẫn đến đối lưu dễ dàng

b Nhược điểm

 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 truyềnnhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối

1.5 Thuyết minh hệ thống cô đặc.

Dung dịch đầu NaNO3 10% được bơm đưa vào thùng cao vị từ thùng chứa,sau đó chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị trao đổi nhiệt Ở thiết bị trao đổi nhiệtdung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi 1 Ở nồi này dungdịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng, dung dịch chảy trong các ốngtruyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Một phần khíkhông ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng Nước ngưng được đưa rakhỏi phòng đốt bằng của tháo nước ngưng Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trongphòng bốc gọi là hơi thứ Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phậntách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt Dung dịch từ nồi 1 tự di chuyển qua nồi thứ 2 do đó sự chênh lệch áp suất làmviệc giữa các nồi , áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớnhơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 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 mộtlượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Hơi thứ bay lên ở nồi 1 được đưa vàophòng đốt của nồi 2, làm hơi đốt cho nồi 2, hơi thứ bay lên ở nồi 2 được đưa vàophòng đốt của nồi 3, làm hơi đốt cho nồi 3 và hơi thứ bay lên của nồi 3 được đưavào thiết bị baromet ngưng tụ, có tác dụng tạo độ chân không cho hệ thống cô đặc.Dung dịch sản phẩm của nồi 3 được đưa vào thùng chứa sản phẩm Hơi thứ bốc rakhỏi nồi 3 được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet, lúc nayg nước làm lạnh từ trên

đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet rangoài còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi đi vào bơm hút chânkhông

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ

CHÍNH

2.1 Cân bằng vật liệu

Mục đích: tính được lượng hơi đốt và hơi thứ

Các số liệu ban đầu như sau:

Năng suất tính theo dung dịch đầu: 14 tấn/h = 14000 kg/h

Nồng độ đầu của dung dịch: 10% khối lượng

Nồng độ cuối của dung dịch: 36% khối lượng

Áp suất hơi đốt nồi 1: 4.5 at

Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0.10 at

2.1.1 Xác định lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống

Gọi: Gđ, Gc - lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h

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

W - lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h

Ở đây, ta coi quá trình bốc hơi chất hòa tan không bị mất mát theo hơi thứ, khi đóphương trình cân bằng vật liệu của quá trình bốc hơi sẽ là:

x

)Thay các giá trị ban đầu vào, ta được:

Vậy lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống là 10111.11 kg/h

2.1.2 Sự phân phối hơi thứ trong các nồi

Gọi W1 ,W2, W3 là lượng hơi thứ của các nồi tương ứng 1, 2, 3 (kg/h)

Ta chọn sự phân phối hơi thứ theo tỉ lệ: 1 , 002

3

2 2

Ta có lượng nước bốc hơi của các nồi:

W = W1 + W2 + W3 = W1 + 2

1 1

) 002 , 1 ( 002 , 1

W W

 3,006004.W1 = 10151,595

 W1 = 3377,106 (kg/h)

= 3363,639( kg/h)

2.1.3 Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi

Gọi x1 ,x2 , x3: là nồng độ tương ứng trong nồi 1, 2, 3, % khối lượng

106 , 3377 14000

14000

10

G x x

đ

đ đ

365 , 3370 106

, 3377 14000

14000

10

2 1

G x

2.2 Cân bằng nhiệt lượng

Mục đích: tính được lượng nhiệt cần tiêu tốn, hệ số, nhiệt độ hữu ích Tínhđược hệ số truyền nhiệt K để từ đó tính được bề mặt truyền nhiệt

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ trong mỗi nồi

P

 : hiệu áp suất chung, at

P1, P2, P3: áp suất hơi đốt nồi 1, 2, 3, at

Pnt: áp suất hơi ở thiết bị ngưng tụ, at

Bằng cách giả thiết hệ số áp suất giữa các nồi là 1 đại lượng thích hợp

Cho 1 , 75 ; 2 , 0

3

2 2

P3   3 = 0,677 + 0,1 = 0,777 at

3 2

P    = 1,354 + 0,777 = 2,131 at

2 1

Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 TB

' '

0 '     16 , 2

Dựa vào bảng I251,STQTTB,T1/314- 315 ta xác định được nhiệt hóa hơi r

theo áp suất hơi thứ

Vậy ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo công thức trên:

r

T

2 0

' '

0 '     16 , 2



Các số liệu tương ứng

Bảng 1.2

0 '

2201155

) 273 342 , 122 (

2 , 16 58394

0

2 '

2277392

) 273 149 , 93 (

2 , 16 4956

'

2459760

) 273 4 , 46 (

2 , 16

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 độ do áp suất thủy tĩnh

0 '' t tb t



dd

 được nội suy và ngoại suy từ bảng I59,STQTTB,T1/46

Để tính t tbcủa dung dịch NaNO3 ứng với P tb ta dùng công thức Balo:

const K

P

P s

P P P P

P P

P

.

0 0

0







Trong đó: P0 = 1 at: giá trị áp suất ở điều kiện chuẩn

Ps0 – áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ sôi của dung dịch ở điều kiệnchuẩn, at Nội suy từ bảng I250,STQTTB,T1/312

P – áp suất môi trường( hơi thứ), at

Ps - áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất P, at

P P

Ta có: P ht1  2 , 185at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ứng với

C

t so  101 , 677 0 là P s0 1,0997at

02 , 1042



dd

 (kg/m3)  dds 521,01(kg/m3)

Vậy: 2 , 2892 ( )

10 81 , 9

81 , 9 01 , 521 ).

2

3 5 , 0 ( 185 ,

tb s

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:

81 , 9 553 , 542 ).

2

3 5 , 0 ( 8076 ,

tb s

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:

Ta có: P ht3  0 , 1056at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ứng với

C

t s 0

03  105 , 89 là P so3  1 273at

1 , 1219

81 , 9 55 , 609 ).

2

3 5 , 0 ( 1056 ,

1

03 03

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:

'' 1

''' 2

''' 1

2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng.

2.2.3.1 Tính nhiệt lượng riêng.

I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt, J/kg

i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ, J/kg

Các giá trị trên được tra theo bảng I250,STQTTB,T1/312

2.2.3.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch

Vì x đ  10 %  20 % nên áp dụng CT I.43,STQTTB,T1/152

4 , 3767 )

1 , 0 1 ( 4186 )

1 (

13171 , 0 1 ( 4186 )

1 (

19304 , 0 1 ( 4186 )

1 (

Trong đó: n Na,n N,n O- số nguyên tử của Na, N, O trong hợp chất

Mhc – khối lượng mol của hợp chất

O N

16800 3 26000 1 26000 1 (

- D1 ,D2 ,D3: lượng hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, nồi 3 ,kg/h

- G , đ G c: lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống ,kg/h

- W: lượng hơi thứ bốc ra của toàn hệ thống, kg/h

- W1 ,W2 ,W3: lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2 và nồi 3, kg/h

- C1 ,C2 ,C3: nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- C , đ C c: nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra, J/kg.độ

- C n1 ,C n2 ,C n3: nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- I1 ,I2 ,I3: hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- i1 ,i2 ,i3: hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

- t , đ t c: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, 0C

- t1 ,t2 ,t3: nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3 ở Ptb, 0C

- θ1, θ2, θ3: nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, 0C

- Q tt1 ,Q tt2 ,Q tt3: nhiệt độ tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, J.

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q vào  Q ra

Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:

 Ở nồi 1

đ đ

2 (

05

05

,

0 D3 I3  C n3 θ3)

 W2 ( 0 , 95I3  C2 t2 i3  0 , 95 C n3 θ3)+W1 (i3  C2 t2 ) G đ(C3 t3  C2 t2 ) W(i3  C3 t3 ) (đặt là **)

Giả thiết nhiệt cung cấp cho quá trình cô đặc chỉ là nhiệt ngưng tụ thì có thểxem nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: θ = t hđ

1965619,956.W1 - 2329401,589.W2= -1700289829 (1)2244249,589.W1+ 4308148,379.W2 = 22200366930 (2)Giải hệ phương trình (1) và (2), có:

% 1995 , 4

% 100 3241

106 , 3377 3241

% 100

1

1 1

% 725 , 2

% 100 78

, 3464

365 , 3370 78

, 3464

% 100

2

2 2

639 , 3363 33

, 3405

% 100

3

3 3

1 1 1 1 1

1

hđ n

đ đ đ

t C I

i t C W t

C t C G

.(

95 , 0

) 2714279 481

, 126 662 , 3634 (

3241 )

164 , 124 4 , 3767 481

, 126 662 , 3634 (

14000

=3577,77 (kg/h)

2.3 Tính các thông số kĩ thuật chính.

2.3.1 Độ nhớt

Sử dụng công thức Pavolow: t t K





2 1

2 1

 - nhiệt độ chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng

Nồi 1 x1  13 , 171 %, chọn chất chuẩn là nước

 Nhiệt độ của nước tương ứng với t1 là 0C

1  16 , 32

 tra bảng [1]

 Nhiệt độ của nước tương ứng với t2là 0C

2  32 , 631

 tra bảng [1]

40 481 , 126

 Nhiệt độ của nước tương ứng với t1là 0C

1  13 , 981

 tra bảng [1]

 Nhiệt độ của nước tương ứng vớit2là 0C

2  27 , 243

 tra bảng [1]

40 14 , 100

 Nhiệt độ của nước tương ứng với t1là 0C

1  7 , 048

 tra theo bảngI.102/94-[1]

 Nhiệt độ của nước tương ứng với t2là 0C

2  15 , 62

 tra theo bảngI.107/94-[1]

Với tst tb= 68,070C, nên 15 , 62

333 , 2

40 07 , 68

2.3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch.

Tính theo công thức I.32/123-[1]:

, W/m.độ;

Trong đó:

Cp- nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch, J/kg.độ,

 - khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3,

M- khối lượng mol của dung dịch, g/mol;

A- hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, chọn A= 3,58.10-8.Với : M m i M ct m i M H O

2

).

1 (  

M m

M1  1  ( 1  1). 2

= 0,0311.85+ (1 – 0,0311).18 = 20,0837 (g/mol)

= 3,58.10-8.3634,662.1042,02.3

0837 , 20

02 , 1042

=0,506(W/m.độ)Nồi 2 x2  19 , 304 %  m2  0 , 0482

O H

M m

M2  2  ( 1  2). 2

= 0,0482.85+ (1-0,0482).18 = 21,2294 (g/mol)

=3,58.10-8.3377,935.1085,106.3

2294 , 21

106 , 1085

=0,487(W/m.độ)Nồi 3 x3  36 %  m3  0 , 1064

3

.

M C

i

ct i ct i

i

M

x M

x M

x m

2

) 1 ( 





3 1

1 1 1

M C

A p  

3 2

2 2 2

M C

A p  

O H

M m

M3  3  ( 1  3). 2

= 0,1064.85+ (1-0,1064).18 = 25,1288 (g/mol)

=3,58.10-8.3112,736.1219,1.3

1288 , 25

1 , 1219

=0,4955(W/m.độ)

2.3.3 Hệ số cấp nhiệt

Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giai đoạn:

 Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ

số cấp nhiệt là  1 với nhiệt tải riêng là q1(W/m2)

 Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày  (m)

 Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt là

2

 và nhiệt lượng tải riêng là q2(W/m2)

a) Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị

Theo định luật Niuton ta có: q1   1 t 1

Trong đó: t1- hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ (nhiệt độ bãohòa) và nhiệt độ thành t1 t bh  t T

04 , 2

H t

r A

3 3 3

M C

A p  

1

t t

t m  hđ   , ( tbh = thđ ), từ đó tra hệ số A trang 29-[2] ta lập bảng sau:

,

1

04 ,

r A

25 , 0

1 , 2 3

q    =9579,2 2,1 = 20116,25(W/m2)

Nồi 2:

25 , 0 2 , 1 2

,

1

04 ,

r A

25 , 0

15 , 2 3

q    = 9274,71.2,15 = 19940,63 (W/m2)

Nồi 3:

25 , 0 3 , 1 3

,

1

04 , 2

r A

25 , 0

5 , 2 3

0 14 ,

n 

p- áp suất trung bình giữa ống truyền nhiệt Ptb, at;

 - hệ số điều chỉnh và được xác định theo công thức sau:

435 , 0 2

565 , 0

.

d n

d d d

d  C 

 , , , - độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớttương ứng với độ sôi của dung dịch

n n n

n  C 

 , , , - độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớttương ứng của nước

Bảng 1.12 Các thông số của dung dịch

Tra bảng I.5/11-[1] tìm được n

Tra bảng I.148/166-[1] tìm được C n

Tra bảng I.249/310-[1] tìm được n

Ta có số liệu các thông số trên như sau:

1 1 1 1 2

1 1 565 , 0

d n

565 , 0

2755 , 0

2247 , 0 274 , 4257

662 , 3634 086 , 938

02 , 1042

6862 , 0

506 , 0

2 2 2 2 2

2 2 565 , 0

d n

565 , 0

42257 , 0 2817 , 0 525 , 4229 935 , 3377 277 , 958 106 , 1085

6827 , 0 487 , 0

3 3 3 3 2

3 3 565 , 0

d n

565 , 0

84244 , 0

41251 , 0 231 , 4191

736 , 3112 88 , 978

1 , 1219

666 , 0

4955 , 0

Ta có: t T2 t hđ  t1  t n1

Mà: t q1 r với rlà tổng trở nhiệt

3 2

t n  

 1 1,1. = 20116,25.5,43.10-4 = 10,920C

r q

t n  

 2 1,2. = 19940,63 5,43.10-4= 10,830C

r q

t n  

 3 1,3. = 20890,6.5,43.10-4 = 11,3440C

Tính hệ số cấp nhiệt của nước theo công thức: n  3 , 14 p0 , 15 q0 , 7(W/m2.độ).Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch theo công thức: 2   n(W/m2.độ)

Nhiệt độ phía trong thành ống: t T2 t hđ  t1  t n1, 0C

Lần lượt tính cho mỗi nồi như sau:

1  10 , 92



1 1

% 96371 , 6

% 100 94

, 21621

25 , 20116 94

, 21621

% 100

% 30086 , 9

% 100 8

, 18243

63 , 19940 8

, 18243

% 100

0

% 100 44 , 20924

6 , 20890 44

, 20924

% 100

q q

2

94 , 21621 25

, 20116

q q

2

8 , 18243 63

, 19940

q q

2

44 , 20924 6

i

tb t

q K

519 , 20

095 , 20869

= 1017,06 (W/m2.độ)

tb t

q K

202 , 21

215 , 19092

i

tb t

q K

079 , 24

52 , 20907

= 868,289 (W/m2.độ)

2.3.4 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích thực cho các nồi.

Ở đây phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

CONST F

i i i i i

K Q K

Qi 

2 1

1 1

77 , 3577

10 43 , 5 31 , 2883

1 2

475 , 2109890

10 43 , 5 9 , 2218

1 71

986 , 1983771

78 , 3464

10 43 , 5 538 , 1844

1 24

601 ,

2 1

1

K

Q K

Q K

Q

2097,68+ 2185,108+ 2643,625= 6926,413

Hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống: t hi  65 , 8 0C

Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi là:

Nồi 1 t hi1 65,8 

413 , 6926

68 , 2097

19,93 0C

Nồi 2 t hi2 65,8 

413 , 6926

108 , 2185

20,76 0C

Nồi 3 t hi1 65,8 

413 , 6926

625 , 2643

25,114 0C

Tính toán sai số nhiệt độ hữu ích theo bảng sau:

% 10

% 100 ) (

) ( )

tính t gt t hi

hi hi

i i

t K

Q F





Bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi là:





93 , 19 82 , 1005

475 , 2109890 1

1

1 1

hi t K

986 , 1983771 2

2

2 2

hi t K

601 , 2194208 3

3

3 3

hi t K

1

3

3 2 1

i

F F F

105,258 m2Lấy bề mặt truyền nhiệt cho cả 3 nồi là F = 1,1*Ftb = 1,1*105,258 = 115,78 m2

3 Chiều cao ống truyền nhiệt: h= 3m

Thiết bị sử dụng là thiết bị ống tuần hoàn ngoài nên số ống được tính theo côngthức:

(ống)

Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.11/48-[2], ta có : ntn = 241 ống

63 , 215 14

, 3 3 057 , 0

78 , 115





h d

F n

n

Với số ống được quy chuẩn trên, mạng ống được sắp xếp theo hình lục giácđều, với số hình sáu cạnh là 8, số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh là

17 Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân là 217 ống

Suy ra, bề mặt truyền nhiệt thực:

Ft = ntn h.3,14.dn= 241.3.3,14.0,057 = 129,403 (m2)

2.4.1.2 Đường kính trong của buồng đốt.

Đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức V.140/49-[2]:

d b

t

D (  1 )  4 , m

Với: t- bước ống, chọn t= 1,4.dn =1,4.0,057=0,0798 (m)

b- số ống trên 1 cạnh của hình sáu cạnh ngoài cùng: b= 17 ống

d- đường kính ngoài của ống, m

Áp dụng công thức, tính được: D = 0,0798.(17-1) +4.0,057 = 1,5048 (m)

Lấy đường kính trong của buồng đốt theo quy chuẩn ở bảng XIII.6/359-[2]:

Dt = 1,6m (vì Dt= 1,5m chỉ cho phép dùng đối với vỏ đốt nóng hay làmnguội)

2.4.1.3 Bề dày buồng đốt.

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3

Bề dày buồng đốt hình trụ được tính theo CT XIII.8/360-[2], công thức:

C P

P D

.

, mTrong đó: Dt – đường kính trong, m

 - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, chọn  =0,95 theo bảng XIII.8/362-[2]

C – số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

P – áp suất trong thiết bị, N/m2

] [  - ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [ k] và ứng suất theogiới hạn chảy [ ch]

 Ứng suất cho phép khi kéo : [  ]  

b

k

k n , N/m2 (theo CT XIII.1/355-[2] ).Với: - hệ số điều chỉnh, tra bảng XIII.2/356-[2], chọn  = 0,9

nb - hệ số an toàn theo giới hạn bền, tra bảng XIII.3/356-[2], chọn nb= 2,6(vật liệu hợp kim được cán, rèn đập)

10

 , N/m2 ( theo CT XIII.2/355-[2])

Tương tự ta chọn,  = 0,9m ; nc= 1,5 ; c= 240.106 N/m2

 [  ]  

c

c c n

 = 0 , 9

5 , 1

10

Với C1 – đại lượng bổ sung do ăn mòn, C1 = 1mm

C2 –đại lượng bổ sung do hao mòn, trong trường hợp tính toán thiết bị theohóa chất, có thể bỏ qua

C3 -đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, tra theo bảng XIII.9/364-[2], chọn C3= 0,4mm

.

441450 95

, 0 10 54 , 131 2

441450

( 2

)

t

P C S

10 240 2

4 , 1 5 ( 2

15 , 582479

10 ).

4 , 1 5 ( 6 , 1 ).

( 2

) (

3 3





C S

P C S