Cô đặc NaNo3 - Cô đặc chân không một nồi

Cô đặc NaNo3 - Cô đặc chân không một nồi.

Mục lục

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

I Nhiệm vụ của đồ án

II Giới thiệu về nguyên liệu

III Khái quát về cô đặc

1.Định nghĩa 2.Các phương pháp cô đặc 3.Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 4.Ứng dụng của sự cô đặc

IV.Thiết bị cô đặc nhiệt

1.Phân loại và ứng dụng 2.Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc

V Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaNO3

PHẦN II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

I.Cân bằng vật chất và năng lượng

1.Dữ kiện ban đầu 2.Cân bằng vật chất 3.Tổn thất nhiệt độ

II.Thiết kế thiết bị chính

A Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị chính

1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch 3.Nhiệt tải riêng phía vách 4.Tiến trình tính các nhiệt tải riêng 5.Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

B Tính kích thước thiết bị cô đặc

1.Tính cho buông bốc 2.Tính cho buồng đốt 3.Tính kích thước ống dẫn,ống nhập liệu , tháo liệu

C Tính bền cơ khí cho các chi tiết thiết bị

1 Tính cho buồng đốt 2.Tính cho buồng bốc 3.Tính cho đáy thiết bị 4.Tính cho nắp

5.Tính mặt bích 6.Tính vỉ ống 7.Tính khối lượng và tai treo

PHẦN IV THIẾT BỊ PHỤ

I.Thiết bị gia nhiệt

1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch 3.Nhiệt tải riêng phía tường 4.Diện tích bề mặt truyền nhiệt II.Thiết bị ngưng tụ

1.Chọn thiết bị ngưng tụ 2.Tính toán thiết bị ngưng tụ III.Tính bơm

1.Bơm chân không 2.Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ 3.Bơm đưa dung dịch nhập liệu vào bơm cao vị 4.Bơm tháo liệu

IV.Tính cho bồn cao vị

V Bề dày cách nhiệt

VI.Cửa sửa chữa

VII.Kính quan sát

PHẦN V TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

LỜI KẾT

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Lời nói đầu

Có thể nói thực hiện Đồ án chuyên ngành là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại toàn bộ các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các chi tiết của một thiết bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế

Tuy nhiên vì còn là sinh viên nên kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thực hiện đồ án khó có thể tránh được thiếu xót Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn

Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Trần Văn Ngũ, và các thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học và Dầu khí trường Đại học Bách khoa Thành phố Hố Chí Minh Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Ngũ và các thầy cô trong bộ môn Máy và Thiết Bị, cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án

PHẦN I

TỔNG QUAN

VỀ CÔ ĐẶC

I.NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:

Thiết kế dây chuyền cô đặc chân không 1 nồi hoạt động liên tục Có hệ thống tự động hoá hoàn chỉnh

Yêu cầu:

° Chọn cô đặc dung dịch NaNO3

• Năng suất theo sản phẩm: 1500 kg/h (cho)

• Nồng độ đầu: 15% khối lượng (chọn)

• Nồng độ cuối: 45% khối lượng (chọn)

• Áp suất ngưng tụ: 0,6 kg/cm2 (cho)

II.GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

NaNO3 là chất rắn, trắng hoặc tinh thể không màu có khả năng tan tốt trong nước(đến 86.4% ở nhiệt độ thường).Dung dịch NaNO3 có độ nhớt khá bé

Sức căng bề mặt khá lớn do đó dung dịch sôi sủi bọt nhiều

10(oC) 20(oC) 30(oC) 40(oC) 50(oC) 60(oC)

20% 1.59 1.18 1.03 0.86 0.72 0.62 25% 1.78 1.25 1.14 0.95 0.8 0.69 30% 2.05 1.33 1.3 1.07 0.91 0.79

Đồng thời muối nitrat có tính ăn mòn hóa học ;đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất khá cao do đó chú ý trong vấn đề chọn vật liệu thiết bị

* NaNO 3 được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như:

▪ Sản xuất phân bón,phân đạm nitrat

▪ Sản xuất thuốc nổ và hỗn hợp tạo khói trong tên lửa

▪ Trong công nghiệp sản xuất hóa chất như sản xuất axit nitric khi cho phản ứng với axit sunfuric…

▪ Là thuốc thử được sử dụng thông dụng trong phòng thí nghiệm

▪ Trong công nghiệp thực phẩm đây là một loại phụ gia, được ướp trong các loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay thế cho KNO3

*Tính chất nguyên liệu:

• Khối lượng nguyên liệu: 84.9947

• Điểm tan chảy: 307oC

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

2 Các phương pháp cô đặc:

_Phương pháp nhiệt (đun nóng): 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 suất tác 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 dung môi để tăngnồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt

thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó,

ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục,do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc

4.Úng dụng của sự cô đặc:

Trong sản xuất thực phẩm,cô đặc các dung dịch đường ,mì chính,các dung dịch nước trái cây…

Trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị

cô đặc

IV CÁC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NHIỆT:

1 Phân loại và ứng dụng:

1.1 Theo cấu tạo:

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

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

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

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

• Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

• Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng,chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:

• Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

• Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít

tạo bọt và bọt dễ vỡ

1.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình:

-Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

-Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

-Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

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

⇒ Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn hay không Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch mà ta có thể sử dụng chế độ cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất thường hay áp suất dư

2 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc:

-Thiết bị chính:

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…

Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…

-Thiết bị phụ:

Bồn cao vị, lưu lượng kế

Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

Thiết bị gia nhiệt

Thiết bị ngưng tụ Baromet

Các loại van

Thiết bị đo

V LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:

Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 1 nồi, làm việc liên tục,

áp suất chân không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm

Thiết bị cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa,làm sạch và sửa chữa

Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế không cho chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị, làm hư thiết bị

Tuy nhiên tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp.vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng

PHAÀN III

THUYEÁT MINH QUY

TRÌNH COÂNG NGHEÄ

Nguyên liệu đầu tiên là dung dịch NaNO3 có nồng độ 15% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống và vĩ ống được hàn dính vào thân Hơi nước bão hòa có áp suất 4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch được bơm vào thiết

bị, đi bên trong ống, từ dưới đi lên Hơi nước bão hòa sẽ ngưng tụ trên các bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dich nâng nhiệt độ của dung dịch lên đến nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi gia nhiệt sẻ được đưa vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi Hơi ngưng tụ theo ống dẩn nước ngưng qua bẩy hơi chảy ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống Hơi đốt sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống Dung dịch đi bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ sôi, làm hóa hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẩn nước ngưng qua bẩy hơi chảy ra ngoài

Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là : Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi –lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống,còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt ,do đó lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn;Ví vậy khối lượng riêng của khối hỗn hợp hơi-lỏng ở đây lớn hơn so với ống truyền nhiệt,sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị:từ dưới lên trên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng hơi thành 2 dòng, dòng hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ Giọt lỏng chảy xuống dưới, hơi thứ tiếp tục đi lên, dung dịch còn lại được hoàn lưu trở lại

Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet Thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn cuối của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa , khí không ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không

thì thể tích của hơi sẽ giảm, làm áp suất giảm, do đó tự bản thân thiết bị áp suất sẽ giảm Vì vậy thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ổn định chân không, nó duy trì áp suất chân không trong hệ hệ thống Aùp suất làm việc của thiết bị Baromet là áp suất chân không, do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm

Bình tách là một vách ngăn, có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài

Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm cho áp suất của thiết bị ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi cô đặc

PHẦN III

TÍNH TOÁN

VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ

CHÍNH

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG:

1 Dữ kiện ban đầu:

Nồng độ đầu xđ = 15 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC

Nồng độ cuối xc = 45%

Năng suất sản phẩm Gc = 1500 kg/h

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất hơi đốt là 4 at

Aùp suất tại thiết bị ngưng tụ baromet: Pc = 0,6 at

2 Cân bằng vật chất:

1 Suất lượng nhập liệu (Gđ):

Trong đó: Gc – suất lượng tháo liệu (năng suất)

3 Tổn thất nhiệt độ:

• Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ Pc=0.6at nhiệt độ của hơi thứ trong

TBNT Tc=85.5oC (tr314,[1])

• Ta lại có ∆ ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc

đến TBNT, theo [5], tr280, chọn ∆’’’ = 1 K

• Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc P0

tsdm(Po) - Tc =∆ ’’’ = 1K ⇒ tsdm(Po) =tc + 1 = 85.5+ 1 = 86.5 oC

• Aùp suất tại buồng bốc: Tra [1] , tr 312: ở nhiệt độ 86.5oC là P0=ø 0,6275 at

3.1.Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (∆∆∆∆’):

Theo Tisenco CTVI10,[2], tr 59:

(3)

Ở đây :

 ∆o’ - tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ

sôi của dung môi ở áp suất khí quyển

Do cô đặc có tuần hoàn dung dịch lấy a=xc=45%

Tra từ đồ thị(HVI.2,[2],tr60) được ∆’0=8.4

 f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:

f

r

t)2273(2

= (CTVI11,[2],tr59) (4)

Với - t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho,t = 86.5oC

- r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc,

r = 2293.25 kJ/kg(B I251,tr314,[1])

669.791298.0

Ta có Tsdd (Po)= t sdm(Po) + ∆∆∆∆’ = 86.5+7.669= 94.169 ( o C) (5)

3.2.Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (∆∆∆∆’’ ):

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆P (N/m2), ta có: ∆P =

.ρdd : Khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi,

.Chọn tsdd(Po+∆P) = 960C ; C%=45% ⇒ ρdd = 1331.64kg/m3 tra Bảng I.59 – trang 46

- Sổ tay QT-TB công nghệ hóa chất tập 1

/ 82 665 64 1331 5

.Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho= 2 m (theo B VI6,[2],tr80)

.ρdm: khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 960C ,

Tra bảng I.249 [1],tr310 : rdm=961.12 kg/m3

Hop = [0.26+0.0014(ρdd-ρdm)].ho=[0.26+0.0014(1331.64-961.12)]*2=1.557456 m

at

1081.9

557456

181.982.6655

)5.86273

Sai số 0.1% chấp nhận được.Vậy tsdd(Ptb)=96oC

Lấy sản phâm ra tại đáy:tsdd(Po+2∆P)=94.169+2*2.0153=98.1996oC

*Vậy tổng độ tăng nhiệt độ sôi:

Aùp suất pD at 4

TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ sôi dd áp suất p0 tsdd(p0) 0C 94.169

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆' 0C 7.669

Aùp suất ở lớp trung bình ptb at 0.67935

Nhiệt độ sôi trung bình dm t sdm( )P tb 0C 88.5153

Tổn thất t0 do cột thủy tĩnh ∆" 0C 2.0153

Nhiệt độ sôi dd ở áp suất

TB

Tổn thất t0 trên đường ống ∆''' 0C 1

Tổng tổn thất nhiệt độ ∑∆ 0C 10.6843

Chênh lệch nhiệt độ hữu

ích

4 Cân bằng năng lượng:

Cân bằng nhiệt lượng:

Nhiệt vào:

- Do dung dịch đầu: Gđcđtđ

- Do hơi đốt: Di”D

- Nhiệt do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt:ϕDcT D

Nhiệt ra:

- Hơi thứ mang ra: Wi”W

- Nước ngưng tụ: Dcθ

- Sản phẩm mang ra: Gccctc

- Nhiệt cô đặc: Qcđ

- Nhiệt tổn thất: Qtt

-Tại thiết bị gia nhiệt chọn đun nóng đến nhiệt độ sôi 94.169oC

 Dòng nhập liệu: Dòng vào tv = 30oC

-Nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO3

nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO3 ở các nồng độ khác nhau được tính

Ở: a=15% (a<0.2) cd=Cvào = 4186( 1-a) = 4186( 1- 0,15) = 3558,1 J/kgOC

a= 45% (a>0.2) cc=Cra = 4186 – ( 4186 – Cct)a = 4186 – (4186 – 1205)0,45

= 2844.55 J/kgOC với: Cct là nhiệt dung riêng của NaNO3 khan và = 1205 J/kgOC

Thành lập phương trình cân bằng nhiệt:

Gđcđtđ + D.i”D +ϕDcT D = W.i”W+ D.c.θ + Gccctc ± Qcđ + Qtt

(13)

(+Qcđ )khi cô đặc thu nhiệt (-Qcd) khi cô đặc tỏa nhiệt Bỏ qua:-phần nhiệt lượng do hơi đã ngưng từ đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt ϕDcT D=0

-nhiệt cô đặc Qcd =0

Trong hơi nước bão hòa bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng ϕ =0.05(độ ẩm của hơi) ⇒Nhiệt lượng do hơi bão hòa cung cấp

d d c c c

r

t c i W t c G t c G D

)1)(

1(

)

"

(

*5.2135)(

05.01)(

05.01(

)1996.98

*55.284410

*7.2655(

*3600

3000169

.94

*1.3558

*3600

45001996

.98

*55.2844

* 3000

871 0

Thông số Ký

hiệu

Đơn vị Giá trị

Nhiệt độ ra lấy tại đáy BD tC 0C 98.1996

Nhiệt dung riêng dd 15% Cđ kJ/kgđộ 3.5581

Nhiệt dung riêng dd 45% CC kJ/kgđộ 2.84455

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 1.6787*106

Lượng hơi đốt phải dùng D kg/s 0.871

II KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH:

A.TÍNH TOÁN TRUYỀN NHỊÊT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt

vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào Do chọn tốc độ hơi nhỏ (w = 10m/s) Màng nước ngưng chuyển động dòng (do ống truyền nhiệt ngắn chọn ho = 2m) Ngưng hơi bảo hoà tinh khiết trên bề mặt đứng Ta có theo công thức (V.101), [4],

tr 28:

) 17 ( 04

, 2

25 , 0

r A

Trong đó:

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước ở áp suất hơi đốt là 4 at

Tra [1],tr314: r = 2135.5*103 J/kg

H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = ho = 2 m

A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

2 134 9 142

∆t

K m

25 0 3

61,72

105.2135(7285.19304

2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi

Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:

)21(/ 2

435 , 0 2

565 , 0

C

C

dd n n

dd n

dd n

dd n

ρλ

λα

α

Trong đó:

αn -hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch, do nước sôi

sủi bọt nên:

αn = 0.145 p0,5 ∆t2,33(CTV.91,[2],tr26) (22)

Với P = Po = 0.6275at = 61557.75N/m2,

Sau khi tính lặp tv2 = 99.497 oC ⇒ ∆t =t v2 −t sdm(Po) = 99 497 − 86 5 = 9 , 686o C

2 33

2 5

0

/ 73032 , 7140 )

686 , 9 ( ) 75 61557 ( 145

⇒α

Cdd - nhiệt dung riêng của dung dịch ,J/kg.C

Cn - nhiệt dung riêng của nước (ở 88.5153oC),J/kg.C

µdd - độ nhớt dung dịch , Ns/m2

µn - độ nhớt nước(ở 88.5153oC), Ns/m2

ρ dd - khối lượng riêng dung dịch , kg/m 3

ρn - khối lượng riêng nước (ở 88.5153oC), kg/m3

λdd - độ dẫn nhiệt dung dịch, w/m 2K

λn - độ dẫn nhiệt nước (ở 88.5153 oC),W/m2K

ρ dd: tra bảng I.59 [2] tr 46

λdd: theo công thức ( I.32 ), [1], trang 123:

3

M C

i i

dd dd dd dd

ρρ

[ mol]

a 0 0832 %

18 / 70 85 / 30

85 / 30

= +

i i

dd dd dd

dd

ρρ

λ =

=3.58*10-8*2844.55*1331.64*(1331.64/23.57473)1/3=0.5203W/m2K

K m

r

t t

∑

− 2 1

 r1 - nhiệt trở phía dung dịch, r1 = 0,417.10-3 m2K / W

 r2 - nhiệt trở phía hơi nước, r2 = 0 m2K / W

 - bề dày ống, δ = 2 mm

 Tra ở bảng XII.7, tr313, [2]

λ - hệ số dẫn nhiệt của ống, λ = 16.3 m2K / W (với ống là thép không gỉ OX18H10T)

∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, ∆tv = tv1 - tv2, ,K

4348406 ,

31 10

5397 0 026 ,

v q r

Quá trình cô đặc ổn định thì q1 =q2 =q v

Nhiệt tải riêng phía dung dịch

C t

t

t2 = v2 − sdd(Po) = 103 , 8555159 − 94 169 = 5 32819 , 686o

2 2

2

4 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng:

Dùng phương pháp số ta lần lượt tính lặp theo các bước sau:

• Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: tv1, tính được ∆t1 , tD = 142.9oC

• Tính được q1

• Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, ta tìm α2

• Tính ∆tv Tính được tv2 = ∆tv + tv1

• Tính ∆ t2

• Tính được q2

• So sánh sai số giữa q1 và q2

Nếu sai số lớn thì quay về bước 1 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ ∆t1 Quá trình này dừng lại khi sai số bé hơn 5%

So sánh q1 và q2 ta thấy

%5

%4626,0

%100

*71

,58515

026,5824571

,58515

%100

Thoả, vậy các thông số ta chọn đả phù hợp

Nhiệt tải trung bình là:

5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:

Trong đó giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

2 1

11

Q

∆

=1.6787*106/(1196,335579*46.7157)=30,037 m2 Chọn : F = 40m2Theo tiêu chuẩn diện tích bề mặt truyền nhiệt [5]tr276

B.TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

1.Tính buồng bốc

Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:

s m

W V

h

3743.03600

×

=

=ρ

Trong đó:

 W– lượng hơi thứ bốc hơi ( Kg/h )

 ρh – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc PO= 0,6275ρh=0,3743

, tr314,[1]

Vận tốc hơi:

Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:

2 2

2

83474 2 4

2264 2 4

b b

b

hoi hoi

D D

Db – đường kính buồng bốc, m

Vận tốc lắng:

Theo công thức 5.14, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, trang 276:

6 , 0 2

, 1 0

979423

1 3743

0 588

2 3

0003 0 ) 3743 0 61 967 ( 81 9 4 ''

3

) '' ' ( 4

b

D

d g

ρρ

Trong đó:

 ρ' - khối lượng riêng của giọt lỏng, tr 310,[1]:ρ' = 967.61kg/m3

 ρ'' - khối lượng riêng của hơi, tr 314,[1]: ρ'' = 0,3743 kg/m3

 d - đường kính giọt lỏng, từ diều kiện ta chọn d =0,0003 m

 g = 9,81 m/s2

 ξ- hệ số trở lực, tính theo Re:

2 3

2

5261.2610

012.0

3743.00003.083474.2''Re

b b

h

h

D D

d w

Chọn Db = 2200mm(theo dãy chuan)

• Kiểm tra lại Re:

Re=26,5261/(2,2)2=5,48

thỏa 0,2 < Re < 500 )

Vậy đường kính buồng bốc Db = 2200 mm

Chiều cao buồng bốc:

Theo CT VI.33,[2], trang 72:

 f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

 Utt(1 at ) - cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian họi(thể tích hơi nước bốc hơi trên một đôn vị thể tích của không gian hơi trong một đơn vị thời gian),m3/m3.h

*Thể tích buồng bốc:

tt h b

U

W V

b

b

2,2

416,444

Để an toàn ta chọn Hb = 2 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt)

2 Kích thước buồng đốt:

 Xác định số ống truyền nhiệt :

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức : n=

l d

F

.

π (39)(CT III.49,tr134,[4])

2

 l = 2 m : chiều dài của ống truyền nhiệt

 d: đường kính ống truyền nhiệt

Do α1> α2 nên lấy d = dt = 25 mm

Vậy số ống truyền nhiệt là :

n=

l d

F

.

2025,0

×

×

Chọn số ống n= 301 ống ([2],tr 48,V.139 ) bố trí theo hình lục giác đều

 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm :

π

t th

301029.0

m

=

×

×π

Kiểm tra tỷ số =0.325/0.025=13>10

n

th

d

 Đường kính buồng đốt :

Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác đều thì đường kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức :[4],tr135

Dt=

l

d F d

.

60 sin 4 0 ) 2 (

0 2

t : Hệ số, thường β = 1.3 –1.5.Chọn β=1.4

t =1.4*dn : Bước ống , m ( thường t = 1.2 – 1.5dn)

dn =0.029 m : Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , m

ψ = 0.8 : Hệ số sử dụng vỉ õ ống, thường ψ = 0.7 – 0.9

l = 2 m : Chiều dài của ống truyền nhiệt m

dth = 0.325m : Đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

F = 40 m2 : Diện tích bề mặt truyền nhiệt , m2

Thay vào ta có :

2

*8.0

029.0

*40

*60sin

*4.14,0)029.0

*4.12325.0(

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

Dth ≤ t( b-1 ) + 4*dng

Với t : bước ống, t = 1.4 * dng

15.61029.04.1

029.04325.01

4

=+

×

×

−

=+

Chọn b = 7 ống ( [4], tr 48 )

→ Số ống trên đường chéo = 7 ống

Quy chuẩn theo bảng V,11 ; [2-48]

Bảng số liệu 9

Tổng số ống khơng kể các ống trong hình viên phân 271

Số ống trong các hình viên phân

Từ đó: ⇒ n= 37(ống) ; m=7 ống

Thêm ống truyền nhiệt ở giữa nữa, ta sẽ thay thế ống tuần hoàn bởi 37 ống Vậy số ống truyền nhiệt còn lại là n’= 301-37 = 264 ( ống )

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là

4 m (CT VI.41,tr74,[4]) (44)

Trong đó :

G : lưu lượng lưu chất kg/s

v : vận tốc lưu chất m/s

ρ : khối lượng riêng của lưu chất kg/m3

 Ống nhập liệu :

64.1331

*1

12/5

*4

=π

4 = 0.1618m

12.2

*20

*

871.0

*4

37432.0

*20

*

6/5

*4

=π

v

G = 0.034

61.967

*1

871.0

*4

=π

Chọn : d =40 mm

 Ống dẫn khí không ngưng :

Chọn d = 20 mm

C TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT

BỊ CÔ ĐẶC

* Chọn vật liệu làm buồng đốt và buồng bốc là OX18H10T

1 Tính cho buồng đốt:

 Sơ lược về cấu tạo:

-Buồng đốt có đường kính trong Dt=1000mm, chiều cao Ht=2000mm

-Thân có 3 lỗ: 1 lỗ tháo nước ngưng, 1 lỗ xả khí không ngưng và 1 lỗ dẩn hơi đốt

-Vật liệu là thép không gỉ mã hiệu OX18H10T

-Thân chịu áp suất trong là 4 at, Vậy áp suất tính toán

Hơi đốt có áp suất 4 at nên thân buồng đốt chịu áp suất trong là áp suất dư là 3at

2

/ 2943 0 3 1

P P P

C t

at

P D =4 ⇒ D =142.90 (tr 314, [1])

Vậy nhiệt độ tính toán t = tD + 20 = 142.9 + 20 = 162.9oC (46)

 Tính toán:

Tính bề dày tối thiểu ( S' ):

 Hơi đốt có áp suất 4 at nên thân buồng đốt chịu áp suất trong là áp suất dư là 3at:

Ptt = 3x 0,0981=0,2943 (N/mm2)

 Nhiệt độ tính toán là 162,9 oC

 Tra đồ thị h1-2, [7], trang 16: ta có ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu là [σ ]* = 137 N/mm2

 Chọn hệ số hiệu chỉnh η =0.95(có bọc lớp cách nhiệt) (tr 17, [7]), ta được ứng suất cho phép của vật liệu là:

 E – modul đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ tính toán, E =2.05.105

N/mm2(B 2.12, tr 34, [7])

Xét:

25 124 420 2943

0

95 , 0 15 130 P

Theo CT 5-3, [7],tr 96:

mm P

D

S t t 1 19

95 , 0 15 130 2

2943 , 0 1000 ].

ϕ -hệ số bền mối hàn, ϕ = 0,95 (B 1-3, tr 18, [7])(hàn một phía)

Dt - đường kính bên trong thân thiết bị, Dt = 1000 mm

Pt – áp suất bên trong thiết bị, Pt =0,2943 N/mm2

Bề dày thân (S):

 Chọn hệ số bổ sung bề dày: C = Ca + Cb + Cc + Co = 1.4 mm

Xem vật liệu như bền cơ học: Cb = 0, Cc = 0

Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca = 1mm (thời gian làm việc từ 15-20 năm) Chọn hệ số Co thỏa điều kiện [2],tr 364 là Co = 0.4 mm

 Với Dt = 1000mm ⇒Smin =4mm (B 5-1, tr 94, [7])

Do S’<S Chọn bề dày tối thiểu Smin

 Vậy bề dày thực S = 4 + 1.4 = 5.4mm

Chọn S = 6mm

Kiểm tra bề dày buồng đốt:

Theo CT 5-10, [7], trang 97:

1 , 0 005 , 0 1000

1 6

Aùp suất tính toán cho phép trong buồng bốc:

2 2

/2943,0/

2303.1)

16(1000

)16(95,015.1302

)(

).(

]

.[

2][

mm N P

mm N

C S D

C S P

t

a t

−

Vậy bề dày buồng đốt là 6 mm

 Tính bền cho các lỗ:

Đường kính cho phép không cần tăng cứng:(8-2)tr162[7]

mm

C S D

d t a

81.58)197,01).(

16.(

1000

7,3

)1).(

.(

.7,3

3

3 max

Dt – đường kính trong của buồng đốt, Dt = 1000 mm

S – bề dày buồng đốt, S = 6 mm

ϕ - hệ số bền của lỗ:

197.0)16).(

2943,015.130.3,2(

10002943

,0)

).(

].[

3,2(

D P

σϕ

Với dnuocngung = 40mm, dkkn = 20mm, dD = 190mm > dmax

Như vậy ta cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào.(dùng bạc tăng cứng) Chọn bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân.=6mm

Đường kính ngoài Dtcn= 190+2*6=202 mm

2 Tính cho buồng bốc:

 Sơ lược cấu tạo:

 Buồng bốc có đường kính trong là 2200 mm, chiều cao 2000 mm

 Thân có 1 lổ nhập liệu Cuối buồng bốc là phần hình nón có gờ liên kết buồng bốc và buồng đốt Có một lổ cửa người và một lổ kính quan sát

 Vật liệu là thép không gỉ OX18H10T Có bọc cách nhiệt

 Tính toán:

Tính bề dày tối thiểu ( S' ):

 Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài

Aùp suất chân không tuyệt đối bên trong thấp nhất là 0,6275 at Như vậy thiết bị chịu áp suất ngoài là

Pn = 1+ (1-0,6275) =1.3725at=0.13464N/mm2 (51)

 Nhiệt độ tính toán:

Ttt=86.5+20=106.50C

(52)

 Hệ số bền mối hàn: ϕh =0.95 (tr 18, [7])

 [σ]*= 122N/mm2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu

 Hệ số hiệu chỉnh η = 0 . 95, có bọc cách nhiệt (tr 17, [7])

/ 9

 Hệ số an toàn khi chảy n C =1.65

 Khối lượng riêng của vật liệu 3

/157

E

L p D S

t

n

220010

05,2

200013464

.0220018.118

.1'

4 , 0

5

4 , 0

Trong đó:

Dt – đường kính bên trong thân thiết bị, Dt = 2200 mm

Pn – áp suất tính toán bên ngoài tác động vào thân

L – chiều dài tính toán của thân, là chiều dài giữa hai bít

Bề dày thân (S):

 Chọn hệ số bổ sung bề dày: C = Ca + Cb + Cc + Co = 1.8 mm

Xem vật liệu như bền cơ học: Cb = 0, Cc = 0

Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca=1mm,(thời gian làm việc từ 15-20 năm) Chọn hệ số Co = 0.8 mm.(tr364, [2])

 Với Dt = 2200mm ⇒Smin =5mm (B 5-1, tr 94, [7])

Do S’>S Chọn bề dày S’

 Bề dày buồng bốc: S = S' + C = 10.21 mm (55)

Vậy chọn bề dày buồng bốc là 11mm

Kiểm tra bề dày buồng bốc:

Theo CT 5-15 và 5-16, [7],tr 99:

91.02200

)111.(

2.5,1).(

2.5

488,10)111.(

2

2200)

)(

291.0095

,0)(

D D

L D

Ca

t t

Ta có:

26 , 0 2200

) 1 11 ( 2 3 201

10 05 2 3 , 0 ) (

2 3

,

0

3 5

t

D

C S E

26,0)

(2 3,091.0

Ca S E

D

L

σnên thoả mãn điều kiện bền thân

Aùp suất tính toán cho phép trong thiết bị:

[ ]

) ( 2

) ( '

) (

*

* 649

,

0

bB tr

a BB bB

tr

a BB BB

bB tr BB BB

D

C S D

C S L

D E

= 0 , 204

2200

1 11 2200

1 11 2000

2200

* 10

* 05 2

* 649 , 0

Thoả điều kiện kiềm tra độ ổn định

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:

Tính:theotr102,[7]

( )

BB

2 BB )

bB (

tr

4

S2D

) 1 11 ( 2

2200 )

3.201875

NCT E K

5 =

=

Thỏa-độ ổn định của thân được đảm bảo

Nên ta tính ứng suất nén:

2 )

( )

)111(

*)112200(

*

1.522098)

).(

P

a B B bB tr

NCT BB

−+

=

−+

=

ππ

1111005.209142,0

D

Ca S E K

t

t c

Pn=0.13464N/mm2

Khi thân chịu tác dụng đồng thời áp lực ngoài và lực nén chiều trục:

( công thức 5.47 trang 107 Tài liệu [7] )

[ ]( ) +[ ]BB ≤1

BB BB

n

BB n

P

P

σσ

0 75 1

204 0

13464 0 18682 85

520275

7

<

=

Vậy bề dày buồng bốc là 11 mm

Tính bền cho các lỗ:

Đường kính cho phép không cần tăng cứng:

mm

C S D

d t a

135.100)

099,01).(

111.(

2200

7,3

)1).(

.(

.7,3

3

3 max

Dt – đường kính trong của buồng bốc, Dt = 2200 mm

S – bề dày buồng bốc, S = 11 mm

ϕ - hệ số bền của lỗ:

099.0)111).(

13464,015.130.3,2(

220013464

,0)

).(

].[

3,2(

D P

σϕ

Như vậy ta cần tăng cứng cho 2 lỗ : 1 lỗ cửa người và 1 lỗ kính quan sát

3 Tính cho đáy thiết bị:

 Sơ lược cấu tạo:

 Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1000mm

 Có khoan 2 lỗ: lỗ thử mẫu, lổ lấy sản phẩm

 Vật liệu làm đáy là thép không gỉ OX18H10T

 Tính toán: Chọn đáy là hình nón có gờ, góc đáy là 2α =600

 Đường kính đáy : Dt= 1000 mm

 H(chiều cao phần nón)= 906 mm

h (chiều cao phần gờ)= 40 mm Rt= 150 mm

Vd(thể tích đáy)=0.306m3

Tính chiều cao phần hình côn nối buồng đốt và buồng bốc

Chiều cao phần hình côn này bằng chiều cao dung dịch trong buồng bốc

 Thể tích của các ống truyền nhiệt và cả ống tuần hoàn trung tâm là:

032.0

450042

π d

G nl

 Vận tốc dd đi trong ống tuần hoàn trung tâm:

01435 0 2

325 0

2 032 0 48 1 2

2

th D

d nl

325 0 4

306 0 2

' '

 Thể tích dung dịch đi vào trong thiết bị :

V = 2.v τ =2*

1 1053 3600

20912.03)

21

22

21(

3

3

=

×++

×

=+

Chọn chiều cao phần hình côn Hc = 0.2m

 Chiều cao cột chất lỏng : H’ = H + Hg + Hđ + Hc

Trong đó:

H đáy = 906mm

Hđ : chiều cao cột chất lỏng trong buồng đốt, Hđ = 2 m

Hc : chiều cao cột chất lỏng trong phần hình côn, Hc = 0.2 m H’= 906 + 40 + 2000 + 200 = 3146 mm

 Áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị:

P = ρPtb*g*H’ = 1331.64*9.81*3.146*10-6 = 0.0411 N/mm2

 Tính toán:

 Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là: Po = 0,6275 at =

0,0615577(N/mm2) Đáy chịu áp suất ngoài Pn , có kể đến áp suất thuỷ tĩnh là:

Thông số tính toán: Pn = 0.1757 (N/mm2)

t = 96+ 20 = 116°C (đáy có bọc cách nhiệt)

l’: Chiều dài tính toán của đáy, mm

l’ = H = 906 mm

D’: Đường kính tính toán của đáy, mm

D D t d t mm

1043 30

cos

32

* , 0 1000

* 9 , 0 cos

1 , 0 9 , 0

αVới dt: Đường kính trong bé của đáy nón, mm

 Chọn dt = 32mm.(đường kính lỗ tháo sản phẩm)

Các thông số cần tra và chọn:

[σ]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2  [σ]* = 122N/mm2

η : Hệ số hiệu chỉnh  η = 0.95

[σ] : Ứng suất cho phép khi , N/mm2

[σ] = η[σ]* = 115.9N/mm2

Et : mođun đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ làm việc của nó, N/mm2

 Tra Et= 5

105,