Co Dac-Do An SVREF [PDF]

Zitiervorschau

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Phần mở 1:

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC, SẢN PHẨM và DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ. 1.1 Lý thuyết về cô đặc: 1.1.1 Cô đặc: - Cô đặc là quá trình tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách bớt một phần dung môi qua dạng hơi. Quá trình co đặc thường tiến hành ở dạng sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị. - Mục đích của quá trình cô đặc: - Làm tăng nồng độ chất tan -Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh) -Thu dung môi ở dạng nguyên chất ( chưng cất nước) - Sự khác biệt giữa chưng cất và cô đặc: quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi còn chưng cất thì các cấu tử trong hỗn hợp đều bay hơi với hàm lượng khác nhau. - Quá trình cô đặc thường tiến hành ở nhiệt độ sôi, dưới áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư. + Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao hơn và dung dịch dễ bị phân hũy vì nhiệt, ngoài ra còn tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch., dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt. Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác + Cô đặc ở áp suất thường 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. + Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các 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. - Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở một nồi hoặc hệ thống nhiều nồi, có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn. Hơi thứ bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhieeth hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nôi cô đặc. + Cô đặc một nồi: chỉ dùng khi năng suất thấp và khi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt để đun nóng.

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

+ Cô đặc nhiều nồi: là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt ở các nồi tiếp theo. Do đó có ý nghĩa về mặt sủ dụng nhiệt. - Hệ thống cô đặc nhiều nồi có thể làm việc xuôi chiều, ngược chiều hoặc song song. Ở đây xin trình bày hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều. Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau ,do đó, dung dịch đi vào mỡi nồi (trừ nồi 1) đều 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 them một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sội của dung dịch , do đó , cần phải tiêu tốn them một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch , vì vậy , khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu cần được đun nong sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ. + Ưu điểm: Dung dịch tự chuyển từ nồi trước sang nồi sau do sự chênh lệch áp suất giữa các nồi. + Nhược điểm: nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dần ,nồng độ dung dịch tăng, do đó độ nhớt tăng dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm.

H ¬i t hø

H ót ch©n k h«ng

H ¬i ®èt N uí c ngung

Dung d?ch d?u

Sơ đồ cô đặc 2 nồi xuôi chiều. 1.1.2 Các phương pháp cô đặc:

S?n ph?m

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Có hai phương pháp cô đặc: - Phương pháp nhiệt: dưới tác dụng nhiệt, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch. - Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử được tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. So sánh 2 phương pháp. Phương pháp nhiệt - Dễ bị quá nhiệt cục bộ làm hỏng sản phẩm. - Sản phẩm dễ bị thay đổi màu sắc, đôi khi có mùi. - Hiệu suất cô đặc cao. - Thiết bị đơn giản.

Phương pháp lạnh - Sản phẩm không bị hỏng do nhiệt. - Sản phẩm không bị đổi màu và mùi. - Hiệu suất cô đặc thấp. - Thiết bị phức tạp.

1.2.3 Thiết bị cô đặc -Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi nước được dùng phổ biến, loại này gồm có hai phần chính: +Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch. +Bộ phận bóc hơi: là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng-hơi của dung dịch sôi. Tùy theo độ cần thiết người ta có thể tạo thêm bộ phận phân ly hơi-lỏng ở trong phòng hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo. - Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cộ đặc theo các cách sau: +Theo sự bố trí bề mặt đun nóng:nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng; +Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiết độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…), bằng dòng điện; +Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn cưỡng bức, tuần hoàn tự nhiên…; +Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài ống xoắn ống chùm - Dưới đây trình bày thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức: Ở đây dung dịch đưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn, dung dịch đặc đi ra ở phần dưới phòng bóc hơi, còn phần chính chảy về phía ống tuần hoàn do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch đầu vào phòng đốt. Ưu điểm:

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

+Hệ số cấp nhiệt lớn hơn tuần hoàn tự nhiên. +Có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ hữu ích nhỏ 3-5 oC +Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc được những dung dịch có độ nhớt lớn. Nhược điểm: tốn năng lượng để bơm, thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn.

Phoøng boùc

Saûn phaåm

Hôi ñoát

Dung dòch ñaàu

Nöôùc ngöng

OÁng tuaàn hoaøn

Dung dòch ñaàu Bôm tuaàn hoaøn

Thieát bò coâ ñaëc tuaàn hoaøn cöôõng böùc

1.2 Tổng quan về sản phẩm NaCl:

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Natri clorua (NaCl ) là muối của một Bazơ mạnh(NaOH) và một axit mạnh (HCl) , Được liên kết vơi nhau bằng liên kết ion. * NaClở dạng khan là những tinh thể màu trắng, ít tan trong rượu nhưng dễ tan trong nước, độ tan tăng theo nhiệt độ. Từ dung dịch nước NaCl kết tinh ở dạng hiđrat NaCl.H2O bền trong không khí ở nhiệt độ thường. Khi đun nóng chuyển thành muối khan. * Trong kỹ thuật NaCl được điều chế bằng cách hòa tan Na2CO3 trong axit HCl: Na2CO3+ 2HCl= 2NaCl+ CO2+ H2O

1.3 Dây chuyền công nghệ. Dung dịch từ thùng chứa hỗn hợp đầu được bơm bơm lên thùng cao vị , rồi vào thiết bị gia nhiệt , sau khi qua lưu lượng kế . Lúc này hơi đốt đã được đưa vào thiết bị gia nhiệt để cấp nhiệt. Sau khi vào thiết bị gia nhiệt, dung dịch ở trạng thái sôi được bơm bơm vào buồn đốt của nồi cô đặc 1 thông qua ống tuần hoàn và bơm tuần hoàn . hơi thứ bốc ra từ nồi 1 đi v ào phòng đốt của nồi 2. Dung dịch sau khi cô đặc từ nồi 1 tự di chuy ển sang buồng đốt nồi cô đặc 2. Hơi cấp nhiệt cho nồi 1 là hơi đốt, hơi thứ nồi 1 dùng làm hơi đốt cho nồi 2.. Nước ngưng được láy ra bên dưới thiết bị cô đặc, thiết bị gia nhiệt, khí không ngưng được tháo ra định kỳ. Hơi thứ nồi 2 sau khi vào thiết bị ngưng tụ còn 1 lượng khí không ngưng sẽ được đưa vào bộ phạn thu hồi bọt đẻ tách bọt, khí không ngưng được đưa ra ngoài.

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Phần 2

TÍNH HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ và THIẾT BỊ CÔ ĐẶC.  Tính toán hệ thống cô đặc dung dịch KOH, 2 nồi, ngược chiều, tuần hoàn cưỡng bức. Các số liệu ban đầu: -Năng suất dung dịch đầu: 12.000 kg/h. -Nồng độ đầu : 5% -Nồng độ cuối: 17 % -Áp suất hơi : tự chọn.  Các ký hiệu thường dùng trong bài: -Gđ, Gc là lượng dung dịch lúc đầu và cuối, tính theo: kg/h. -xđ, xc là nồng độ đầu và cuối của dung dịch, tính theo % khối lượng.

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

-W là lượng dung môi nguyên chất bốc hơi khi nồng độ dung dịch thay đổi tử xđ đến xc , kg/h. -W1, W2 lượng hơi thứ bay ra ở các nồi , kg/h.

2.1 Cân bằng vật liệu. 2.1.1 Tính lượng hơi thứ bốc trong quá trình cô đặc. Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn bộ hệ thống. Coi quá trình bay hơi không kéo theo chất hòa tan theo hơi thứ. Gđ = Gc + W. (1) Viết cho cấu tử phân bố. Gđ.xđ = Gc.xc + W.0 (2) Từ (1), (2) ta có: W =G đ (1 −

xđ 5 ) =12000(1- ) = 8470,588 kg/h 17 xc

2.1.2 Tính sự phân bố hơi thứ trong các nồi. Chọn tỷ lệ phân bố hơi thứ trong các nồi : W1 : W2 = 1 : 1 Vậy lượng hơi thứ bốc ra ở các nồi :

W W1 = = 4235.294 2

Kg/h

2.1.3 Nồng độ dung dịch sau khi ra khỏi mỗi nồi. Nồng độ nồi 1 : Gd  xd 12000  5 x1 = = =7.727 % khối lượng Gd − W1 12000 − 4235.294 Nồng độ nồi 2 : x2 =

G1  x d 12000  5 = = 17 G − ( W1 + W2 ) 12000 − 8740.588

% khối lượng

2.1.4 Phân bố áp suất làm việc trong các nồi. +Gọi P1, P2 và Pnt là áp suất hơi đốt của nồi 1, nồi 2 và áp suất ngưng tụ của thiết bị ngưng tụ Barômet. +p1, p2 là hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2,và của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ +p :là hiệu số áp suất cho toàn bộ hệ thống - Chọn áp suất hơi đốt nồi 1: Ph = 3 at - Chọn áp suất ngưng tụ ở Baromet: Pnt = 0,25 at - Giả sử sự giảm áp suất trong các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ lệ sau: p1 : p2 = 2.1: 1 (3) - Hiệu số áp suất trong toàn bộ hệ thông: p = Ph- Pnt= 3-0.25=2.75 at.

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

- Mà hiệu số áp suất trong toàn bộ hệ thông: p =

n

P i =1

i

= p1+p2 = 2.75

(4)

Từ (3), (4) ta có:

2,75.2,1 = 1.86 at 2,1 + 1 2,75.1 p2 = = 0.89 at 2,1 + 1

p1 =

Vậy áp suất hơi thứ trong từng nồi: Pht1 = P1 - p1= 3 – 1.86 = 1,137 at Pht2 = Pht1 - p2 = 1,137 – 0.89 = 0,25 at 2.5 Phân bố nhiệt độ trong các nồi. Gọi : thđ1, thđ2, tnt: là nhiệt độ của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và thiết bị ngưng tụ. tht1, tht2, : là nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2 Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất mát khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết bị khác là 10C Do đó : thd2 = tht1 - 1 (5) Vậy từ áp suất hơi đốt nồi 1 (Phd1) đã biết tra được nhiệt độ hơi đốt nồi 1 (thd1); từ áp suất hơi thứ nồi 2 (Pht2) đã biết, tra được nhiệt độ hơi thứ nồi 2 (tht2); từ áp suất đã biết ở thiết bị ngưng tụ (Pnt), tra được nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ (tnt). Các số liệu tra bảng I.251. trang 314 STQTTB tập 1. Dựa vào công thức (5) để xác định thd2, từ đó xác định được áp suất hơi thứ nồi 2 (P2) Bảng nhiệt độ hơi nước bão hòa theo áp suất: Nồi 1 0

Nồi 2 P2(at) t 0C 1,096 101.6 0,25 64,5

TB barômet Pnt(at) t 0C 0,25 64,5

P1(at) t C Hơi đốt 3 132.9 Hơi thứ 1,137 102,6 2.1.6 Tổn thất nhiệt độ. Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất khác nhau, tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh, tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống gây nên.

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

2.1.6.1 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ. Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng một áp suất gọi là tổn thất nồng độ. ' = tsdd - tsdm ➢Áp dụng công thức Tisencô: Δ’ = Δ0’.f (VI.10 trang59,Sổ tay QTTB tập 2 ) - Với : + Δ’0 – tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường. + f = 16,2.

T2 r

(VI.11 trang 59,Sổ tay QTTB tập 2 )

Trong đó T : nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0K; T = tht + 273 oK r : là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg. Dựa vào bảng (VI.2, trang 65 Sổ tay QTTB tập 2) ta biết được tổn thất nhiệt độ Δ’0 theo nồng độ a (% khối lượng) Bảng tra tổn thất nhiệt độ do nồng độ. Nồi1 Nồi 2 Nồng độ của dung dịch: x (%kl) 17 7,727 0 Δ’0 ( C) 7,6 4,7 Dựa vào (I.251 trang 314 Sổ tay QTTB tập 1 ) ta xác định được nhiệt hóa hơi r: Nồi1 Nồi 2 Áp suất làm việc, at 1,137 0.25 +3 Nhiệt hóa hơi .10 . r, J/kg 2253.725 2344.8 Vậy: Δ’1 = Δ’0.16,2

Δ’2 = Δ’0.16,2

( tht1 + 273)

2

2253,725.10

r1

( tht 2 + 273) r2

(102,6 + 273) = 7,6.16,2

2

( 64,5 + 273) = 4,7.16,2.

➢ Vậy tổn thất nhiệt cả 2 nồi: Δ’ = Δ’1 + Δ’2 = 7,7 + 3,7 = 11,4

2344,8.103

o

C

2

3

= 7,7

o

2

= 3,7 oC

C

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

2.6.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: ∆’’ ➢ Tổn thất nhiệt độ ∆’’ bên trong ống truyền nhiệt do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch ở trên mặt thoáng. Người ta thường tính áp suất ở khoảng giữa ống truyền nhiệt ➢ Hiệu số nhiệt độ của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoáng gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh gây ra. " = t ( P + P ) − t P

Trong đó:

t ( P + P ) : nhiệt độ sôi ứng với Ptb

tP

: nhiệt độ sôi của dung dịch trên bề mặt thoáng chính bằng nhiệt độ sôi của hơi thứ + tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.

 Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc: h Ptb = P0 + (h + )   dds  g 2

Ta có:

(VI.12 trang 60, Sổ tay QTTB tập

2) Trong đó: Ptb : là áp suất trung bình tại nữa ống truyền nhiệt (N/ m 2 ) P0 : là áp suất của hơi thứ trên bề mặt dung dịch. (N/ m 2 ) h : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch. Chọn h = 0.5 m h : chiều cao của ống truyền nhiệt. Chọn h= 4 (m)  dds : khối lượng riêng của dung dịch sôi,(kg/ m 3 ) Với :  dd

ở áp suất làm việc

=

 dds 2

ở áp suất khí quyển

.

g : gia tốc trọng trường, (g=9,81m/ s 2 ). Do đó ta có: Ptb = P0 +(2+0,5).

 dds 2.10 4

Bảng tính nhiệt độ sôi của dung dịch (theo số liệu bảng I.204, trang 236, Sổ tay QTTB tập 2 ), khối lượng riêng của dung dịch ở áp suất khí quyển (theo số liệu bảng I.21, trang 33, Sổ tay QTTB tập 1 ) và áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch. Nồi Nồi1: x2=17%

Nhiệt độ sôi ở Pkq ứng x (oC) 105

 dds (kg/m3)

1065

Áp suất hơi thứ trên bề mặt dd: Po at 1,137

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Nồi 2: x1=7,727% 101,7 1027,75 Vậy : - Áp suất trung bình tại nữa ống truyền nhiệt ở nồi 1 Ptb1 =

4 2

1,137 + ( 0,5 + ) 

0,25

1065 =1,27 (at) 2.104

- Áp suất trung bình tại nữa ống truyền nhiệt ở nồi 2 Ptb 2 = 0,25+( 0,5 +

4 1027,75 ) =0,378 (at) 2.104 2

 Để tính tos của dung dịch KOH ứng với Ptb ta dùng công thức Babo:  P    = K =const.  Po  t

Với: P: áp suất hơi bão hoà của dung môi trên bề mặt thoáng của dung dịch(at) Po: áp suất hơi bão hoà của dung môi nguyên chất (at). - Tính ts1 ứng Ptb1ở nồi 1: có x2 = 17 %. Có nhiệt độ sôi ở áp suất thường là : 105 oC + Ở 105 oC , Po= 1,232 at (áp suất tuyệt đối) , (theo bảng I.205, trang 312, sổ tay QTTB tập 1 )  P   Po

 1  = 1.232  105

 P '  1,27 1 + Theo Babo :  '  = ' = ,  Po’ =1,564 at.  P o t

Po

1.232

Nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 1,564 at là 112 oC ( theo bảng I.251, trang 315, sổ tay QTTB tập 1 ). Vậy ts1 = 112 oC - Tính ts2 ứng Ptb2ở nồi 2: có x1 = 7,727 %. Có nhiệt độ sôi ở áp suất thường là : 101,7 oC + Ở 101,7 oC , Po= 1,1 at (áp suất tuyệt đối) , (theo bảng I.205, trang 312, sổ tay QTTB tập 1 ) P   Po

 1  = 1,1 101, 7

 P '  0,378 1 + Theo Babo :  '  = ' = ,  Po’ =0,4158 at.  P o t

Po

1.1

Nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 0,4158 at là 76,3 oC ( theo bảng I.251, trang 315, sổ tay QTTB tập 1 ). Vậy ts2 = 76,3 oC  Tính nhiệt độ sôi ứng với áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch ở nồi1 :to1 to1 = tht1 + Δ’1 = 102,6 + 7,7 = 110,3 oC

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

 Tính nhiệt độ sôi ứng với áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch ở nồi2 :to2 to2 = tht2 + Δ’2 = 64,5 + 3,7 = 68,2 Vậy, tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở 2 nồi là : + Ở nồi 1: 1•• = 112 – 110,3 = 1,7 oC + Ở nồi 2: 1•• = 76,3 – 68,2 = 8,1 oC ∆’’ = 0,4 + 8,1 = 9,8 oC 6.2.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống:  ’’’ Chọn tổn thất nhiệt độ ở nồi là: 1 oC, coi tổn thất nhiệt độ ở nồi 2 là 0 oC Vậy tổn thất nhiệt do trở lực cả 2 nồi là: 1 oC Vậy tổng tổn thất nhiệt độ chung cả hệ thống cô đặc là:   =  ’ +  ’’ +  ’’ = 11,4 + 9,8 + 1 = 22,2 oC 2.1.7 Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống và phân bố cho từng nồi ➢ Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống: ∑∆thi = ∆tch - ∑∆ , Với : ∆tch - hiệu số nhiệt độ chung, ∆tch = thđ1– tnt ∑∆thi = thđ1– tnt - ∑∆ = 132,9 – 64,5 – 22,2 = 46,2 oC ➢ Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi: Nồi 1: ∆thi1 = thđ1 – thđ2 - ∆1 , Tổng tổn thất nhiệt độ ở nồi 1: ∆1 = 7,7 + 1,7 + 1 = 10,4 oC  ∆thi1 = 132,9 – 101,6 – 10,4 = 20,9 oC Nồi 2: ∆thi2 = thđ2 – tnt - ∆2 , Tổng tổn thất nhiệt độ ở nồi 2: ∆2 = 3,7 + 8,1 + 0 = 11,8 oC  ∆thi2 = 101,6 – 64,5 – 11,8 = 25,3 oC 2.1.8 Nhiệt độ hơi đốt, hơi thứ và nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi. tsi =thti +Δ’i+Δ’’i + Δ’’’i Nồi Nhiệt độ hơi đốt, Nhiệt độ sôi của dung Nhiệt độ hơi thứ tht, oC thđ, oC dịch, ts, oC 1 thđ1 = 132,9 ts1 = thđ1- ∆thi1=112 tht1 = ts1 – (Δ’1+Δ’’1) = 102,6 2 thđ2 = tht1- Δ’’’1-2 ts2 = thđ2- ∆thi2 = 76,3 tht2 = ts2 – (Δ’2+Δ’’2) = 101,6 = 64,5

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

2.3. Cân bằng nhiệt lượng. 2.3.1 Nhiệt dung riêng : C (J/Kg.độ) a. Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi vào nồi cô đặc: Cđ Vì dung dịch đầu có nồng độ xđ = 5 % < 20% nên ta áp dụng công thức I.43, trang 152, sổ tay QTTB tập 1: C = 4186(1 – x). (J/Kg.độ) Vậy: Cđ = 4186.(1 – 0,05) = 3976,7 (J/Kg.độ) b. Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1: C1 = Cc Ta có: nồng độ cuối của dung dịch là: xc = x2 = 17 % < 20 % Vậy: Cc =C1 = 4186.(1 – 0,17) = 3474,38 (J/Kg.độ) c. Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2: C2 Ta có: nồng độ của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2 là : x1 = 7,727 % < 20 % Vậy: C2 = 4186.(1 – 0,07727) = 3862,54 (J/Kg.độ) d. Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1: Cn1 Tra bảng I.249, trang 311, sổ tay QTTB tập, theo nhiệt độ của hơi đốt vào nồi 1: thđ = 132,9 Cn1 = 4272,09 (J/Kg.độ) e. Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 2: Cn2 Tra bảng I.249, trang 310, sổ tay QTTB tập, theo nhiệt độ của hơi đốt vào nồi 2: thđ2 = 102,6 oC Cn2 = 4222,08 (J/Kg.độ) 2.3.2 Tính nhiệt lượng riêng: Nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi đốt: I Nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi thứ: i Tra bảng I.250, Sổ tay QTTB tập 1, trang 312 Ta có bảng sau: Bảng 5. Nồi Hơi đốt ti(oC) I .103(J/kg) 1 132,9 2730 2 101,6 2681,56

Nước ngưng: Cni 4272,09 4222,08

Hơi thứ thti (oC) 102,6 64,5

i.103(J/kg) 2683,16 2616,58

Dung dịch tsi (oC) 112 76,3

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

2.3.3 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng: Gọi: D1, D2 : là lượng hơi đốt ở nồi 1, nồi 2, Kg/h Gđ, Gc : là lượng dung dịch đầu và cuối, Kg/h W1, W2 : là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, nồi 2, Kg/h Cđ. C1, C2 : là nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi vào nồi 2, sau khi ra khỏi nồi 1, sau khi ra khỏi nồi 2 I1 , I2 : là hàm nhiệt của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, J/kg. i1. i2 : là hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1, nồi 2, J/kg Cn1, Cn2 : là nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, J/kg.độ. 1 ,  2 : là nhiệt đô của nước ngưng nồi 1, nồi 2. Qtt1, Qtt2 : là nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, J

W1 .i 1= D 2.I

2

W2 .i 2 Q tt1

Q tt2 ts 1

D1 .I t

t s2 t

hd 1



(G®-W ).C1 .t

Ta có :  nhiệt vào =

D1.Cn1 n1



G ®.C ®. t

(G®-W2 ).C2.t 2

1

Gc

hd 2

nhiệt ra

- Nồi 1: Nhiệt vào: + Do dung dịch từ nồi 2 mang vào: (Gđ – W2).C2.t2 + Do hơi đốt: D1.I1 Nhiệt ra: + Do hơi thứ mang ra: W1.i1

D2.Cn2 n2

®

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

+ Do dung dịch mang ra: (Gđ – W).C1.t1 = (Gđ – W).Cc.t1 + Do nước ngưng mang ra: D1.Cn1. 1 + Do tổn thất ra môt trường xung quanh. Lấy Qtt1 = 0,05.D1.(I – Cn1. 1 ) - Nồi 2 Nhiệt vào: + Do dung dịch đầu mang vào: Gđ.Cđ.t2 + Do hơi đốt: D1.I2 = W1.i1 Nhiệt ra: + Do hơi thứ mang ra: W2.i2 + Do dung dịch mang ra: (Gđ – W2).C2.t2 + Do nước ngưng mang ra: D2.Cn2.  2 + Do tổn thất ra môt trường xung quanh. Lấy Qtt2 = 0,05.D2.(I2 – Cn2.  2 ) = 0,05.W1.(i1 – Cn2.  2 ) o o Với: 1 = thđ1 = 132,9 C,  2 = thđ2 = 101,6 C Phương trình cân bằng nhiệt của cả hệ thống:  D.I + (Gñ − W2 ).C2 .t2 = D.Cn1 .1 + (Gñ − W ).C1 .t1 + W1 .i1 + 0,05D(I − Cn1.1 )  W1 .i1 + Gñ .Cñ .tñ = W2 .i2 + (Gñ − W2) .C2 .t2 + W1.Cn 2 .2 + 0,05.W1 (i1 − Cn 2 .2 )  W = W1 + W2

Với: 1 = thđ1 ,  2 = thđ2 Giải ra ta được: W.(i2 − C2 .ts2 ) + Gñ .(C2 .ts2 − Gñ .ts2 ) W1 = = 4383,04 0,95.(i1 − Cn 2 .thd 2 ) + (i2 − C2 .ts2 ) W2 =W –W1 = 8470.588 - 4383.04 = 4087,548 Tính sai số: 1 = 2 =

Wgt − W1 Wgt

Wgt − W2 Wgt

= =

4235,294 − 4383.04 4235,294

4235,294 − 4087.548 4235,294

Kg/h Kg/h

= 3,488 % = 3,488 %

i < 5 % nên chấp nhận được D=

(C2 .ts 2 − C1 .ts1 ).(Gñ − W ) + W1 .(i1 − C1.ts1 ) = 4567,23 0,95.( I − Cn1 .thd1 )

2.4. Tính toán thiết bị chính. 2.4.1 Tính các thông số kỹ thuật chính.

Kg/h

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

2.4.1.1 Độ nhớt. - Để tính độ nhớt của dung dịch ở nhiệt độ bất kỳ ta sử dụng công thức Paplov: t 1 − t 2

 1 −   2

= k = const.

Với: t1 , t 2 : nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt 1 ,  2 .  1 ,  2 : nhiệt độ của chất lỏng chuẩn có cùng giá trị độ nhớt 1 ,  2 . Ở đây chọn chất lỏng làm chuẩn là axeton ( Bảng I.101, trang 91, STBTTB tập 1) - Độ nhớt của dung dịch ở nồi 1: x2 = 17 %, ts1 = 112 oC + Độ nhớt của dung dịch ở 30; 40 oC ( Tra bảng I.107, trang 101, STQTTB 1) t1 = 30 oC tra được 1 =1,222.103 Ns/m2 t 2 = 40oC tra được  2 = 1,02.103 Ns/m2 + Nhiệt độ của nước ứng với 1 ,  2 (tra bảng I.102, trang 94, STQTTB tập 1)  1 = 12 oC  2 = 19 oC Vậy: k=

30 − 40 =1,42857 12 − 19

Tại nhiệt độ sôi t1s của dung dịch, ta có: ts1 − t 2 ts1 − t 2 +   2 = 112 − 40 + 19 = 69,4 oC = k   s1 = k 1,42857  s1 −   2 Tại nhiệt độ  2s , độ nhớt của nước là: 0,409.10-3 Ns/m2 . Đó là độ nhớt của dung dịch ở nhiệt độ sôi:  s1 = 0,409.10-3 Ns/m2 - Độ nhớt của dung dịch ở nồi 2: x1 = 7,727 %, ts2 = 76,3 oC + Độ nhớt của dung dịch ở 30, 40 oC ( Tra bảng I.107, trang 101, STQTTB 1) t1 = 30 oC tra được 1 =0,908.103 Ns/m2

t 2 = 40oC tra được  2 = 0,79.103 Ns/m2 + Nhiệt độ của nước ứng với 1 ,  2 (tra bảng I.102, trang 94, STQTTB tập 1)  1 = 24,5 oC  2 = 30,5 oC Vậy: k=

30 − 40 =1,6666 24,5 − 30,5

Tại nhiệt độ sôi t1s của dung dịch, ta có:

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

ts 2 − t  2

 s2 −   2

= k  s2 =

ts 2 − t 2 k

+  2 =

76,3 − 40 + 30,5 = 52,28 oC 1,6666

Tại nhiệt độ  2s , độ nhớt của nước là: 0,529.103 Ns/m2 . Đó là độ nhớt của dung dịch ở nhiệt độ sôi: s 2 = 0,529.103 Ns/m2 2.4.1.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch: dd (W/m.độ) - Tính theo công thức sau:  dd = A.Cp. .3 (W/m.độ) (CT I.32, trang 123, STQTTB, tập 1) M Với: + A : là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước. A = 3,58.10-8 + Cp: nhiêt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg. độ) +  : khối lượng riêng của chất lỏng (Kg/m3) + M : là khối lượng mol của chất lỏng M = ni .Mdd + (1 − ni ).MH2O Với ni là nồng độ phần mol của dung dịch. xi Md 2 ni = xi 1 − xi + M d 2 M H 2O - Ở nồi 1: x2 = 17 % x2 17 M KOH 56 = + ni = x2 1 − x2 17 1 − 17 = 0,062 + + M KOH M H2O 56 18 + Mdd1 = 0,062.56 + (1-0,062).18 = 20,356 g + Khối lượng riêng của dung dịch ở ts1 = 112 oC 1 = 1055,2 (Kg/m3) + C1 = 3474,38 J/kg. độ -8 Vậy : 1 = 3,58.10 .3474,38 .1055,2 . 3

= 0,4893

W/m.độ

1055,2 20,356

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

- Ở nồi 2: x1 = 7,727 % x1 7,727 M KOH 56 n = = i + x1 1 − x1 7,727 1 − 7,727 = 0,026 + + M KOH M H2O 56 18 + Mdd1 = 0,026.56 + (1-0,026).18 = 18,988 g + Khối lượng riêng của dung dịch ở ts1 = 87,1 oC  2 = 1037,37 (Kg/m3) + C2 = 3862,54 J/kg. độ 1037,37 -8 Vậy : 2 = 3,58.10 .3862,54 .1037,37 . 3 18,988 = 0.5422 W/m.độ 2.4.1.3. Tính hệ số cấp nhiệt:  Ở đây ta dùng hơi nước bão hòa làm hơi đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc đi trong ống . Do đó bên ngoài ống có lớp nước ngưng tụ. Lớp nước ngưng này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Còn sát thành ống sẽ có một lớp cặn dung dịch bám vào,vì vận tốc khu vực này gần bằng không nên lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Qua trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm ba giai đoạn: - Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt là α1 với nhiệt tải là q1 (W/m2). - Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày là δ, m. - Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt là α2 với nhiệt tải riêng là q2 (W/m2).

t1

t T1

t2

 t1 1

q

t  

tT 2

t

2

tb2

q

a) Tính hệ số cấp nhiệt về phía nước ngưng: α1 ct 5.101 trang 28 ST QTTB T2

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

 1 = 2,04. A4

r H .t1

Với: + H: chiều cao của ống truyền nhiệt. Chọn H = 2 m. + t 1 = t hd − t T 1 + r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, J/kg + A= (

 2 3 0, 25 ) , là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm 

- Nồi 1: + Chọn  t1 = 1,7 oC + Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt ở 132,9 oC .(Tra bảng I.250, trang 312, STBTTB tập 1) r=2171.103 J/kg + Nhiệt độ của lớp màng nước ngưng tụ: tm tm =

t1 + tT1 2

, với t1 = thđ1 = 132,9 oC

Mà  t1 = t1 − tT  tT = t 1 −t1 1

1

t 1, 7 Vậy: tm = t1 − 1 = 132,9 + = 132,05 oC 2 2

Tra bảng trang 29, STQTTB, tập 2 Giá trị: A = 191,75 r 2171.103 4 = 2,04.191,75 Vậy: (1 )noi1 = 2,04. A 4 = 9298,293 W/m2.độ H .t1 4.1,7 Và nhiệt tải riêng ở nồi 1: q1 q1= α1.  t1 =9298,293.1,7 = 15807,099 W/m2 - Nồi 2: + Chọn  t1 = 2 oC + Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt ở 101,6 oC .(Tra bảng I.250, trang 312, STBTTB tập 1) r=2256,16.103 J/kg + Nhiệt độ của lớp màng nước ngưng tụ: tm tm =

t1 + tT1 2

, với t1 = thđ2 = 101,6 oC

Mà  t1 = t1 − tT  tT = t 1 −t1 1

1

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Vậy: tm = t1 −

t1 2 = 101,6 + = 100,6 oC 2 2

Tra bảng trang 29, STQTTB, tập 2 Giá trị: A = 179,36 r 2256,16.103 4 = 2,04.179,36 Vậy: (1 )noi1 = 2,04. A 4 H .t1 4.2 = 8431,8776

W/m2.độ

Và nhiệt tải riêng ở nồi 2: q1-2 Q1_2= α1.  t1 = 8431,8776.2= 16863,7553 W/m2 b) Tính hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch sôi: α2 - Ta có:  2 =  . n +  n : hệ số cấp nhiệt đối với nước.  n = 3,14. p 0,15 .q 0,7 0,5 2,33 Hay  n = 45,3. p .t2 Trong đó: p: là áp suất làm việc. Lấy p = ptb i q: là nhiệt tải riêng  + : hệ số hiệu chỉnh

 dd    n 

0,565

 =

   2  C    .  dd   dd   n   n   Cn   dd

    

0,435

dd ,  dd , Cdd , dd - độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ

nhớt tương ứng với độ sôi của dung dịch;  n ,  n , C n ,  n - độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương ứng của nước; Bảng các thông số của dung dịch: Nồi 1 2

λdd(W/m.độ) 0,4893 0,5442

 dd(Kg/m3) 1055,2 1037,37

Cdd (J/Kg.độ) μdd. (N.s/m2) 3474,38 3862,54

0,409.10-3 0,529.10-3

Bảng tra các thông số của nước theo nhiệt độ của các nồi. Tra bảng I.249, tr 310, STQTTB tập 1 ts1 = 112 oC ; ts2 = 76,1 oC

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Nồi 1 2 - Ở nồi 1:

 n (Kg/m3)

λn (W/m.độ) 0,6844 0,672

 dd1   =  + 1   n1 

0,565

949,4 974,02

Cn (J/Kg.độ) μn. (N.s/m2) 4237,4 0,2546.10-3 4192,04 0,372.10-3

   2  C    .  dd1   dd1   n1   n1   Cn1   dd1

 0,4893  =   0,6844 

0,565

    

0,435

 1055,2 2  3474,38   0,2546.10 -3 .     -3  949,4   4237,4   0,409.10

  

0,435

= 0,6768 + Hệ số cấp nước: 0,15 0,7 0,15 .(13665,059)0,7 ( n )noi1 = 3,14. pnoi 1 .qnoi1 =3,14.(1,27) = 2829,4155 W/m2.độ - Ở nồi 2:

 dd 2  + 2 =     n2 

0,565

 0,5442  =   0,672 

   2  C    .  dd 2   dd 2   n 2   n 2   Cn 2   dd 2

0,565

    

0,435

 1037,37 2  3862,54 .     974,02   4192,04

-3   0,372.10     0,529.10 -3    

= 0,8746 + Hệ số cấp nước: 0,15 0,7 0,15 .( 8781,517)0,7 ( n )noi2 = 3,14. pnoi 2 .qnoi 2 =3,14.( 0,387) = 2477,1613 W/m2.độ - Vậy hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch ở nồi 1: W/m2.độ ( 2 )noi1 = 1. ( n )noi1 = 1914,9484 Vậy hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch ở nồi 2 W/m2.độ (2 )noi2 = 2 . ( n )noi 2 = 2166,5253 c) Tính nhiệt hiệu số nhiệt độ t2 ở nồi 1 và nồi 2. -Ta có: tt = tT1 − tT2 = q1. rt Mà:  rt =r1 + r2 + r3 + r1: nhiệt trở của lớp nước ngưng.

0,435

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

+ r2: nhiệt trở qua lớp vật liệu. r2 =

 

 : bề dày ống truyền nhiệt. Chọn:  = 2 mm  : hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liêu. Tra bảng I.128, trang 127,

STQTTB tập 1  = 54 W/m.độ + r3: nhiệt trở do lớp cặn bám lên thành.Tra bảng V.1, STQTTB tập 2 trang 4.) r3 = 0,387.10-3 m2.độ/W Với nồi 1: Chọn chất bám lên bề mặt truyền nhiệt là nước sạch nên chọn r1 = 0,232.10-3 m2.độ/W

 r =r + r + r t

1

2

3

= 0,232.10-3 +

2, 0.10 −3 54

+ 0,387.10-3

= 0,656.10-3 m2.độ/W Với nồi 2: Chọn chất bám lên bề mặt truyền nhiệt là nước sạch nên chọn r1 = 0,46.10-3 m2.độ/W

 rt =r1 + r2 + r3 = 0,46.10-3 + = 0,884.10-3 - Tính

2, 0.10 −3 54

+ 0,387.10-3

m2.độ/W

ở nồi 1. tt = tT1 − tT2 = q1. rt = 15807,0995. 0,656.10-3 = 10,36 t2

o

C

 t2 = tT1 − tT2 − t2tb = (t1 − t1 ) − tt − t2tb = (thd1 − t1 ) − tt − ts1 o = 132,9 - 1,7 – 10,36 - 112 = 8,83 C Vậy nhiệt tải riêng q2 ( q2 )noi1 = (2 )noi1 . ( t2 )noi1 = 1914,9484.8,83 = 16910,034

Sai số: 1 =

q1 − q2 q1

=

15807,099-16910,034 15807,099

W/m2

= 6,97 % < 10 % . Nên chấp nhận

kết quả Vậy nhiệt tải trung bình: q1 + q2 15807,099-16910,034 = qtb1 = = 16358,5668 W/m2 2 2 - Tính t2 ở nồi 2. tt = tT1 − tT2 = q1. rt = 16863,7553.0,884.10-3 = 14,9 oC

 t2 = tT1 − tT2 − t2tb = (t1 − t1 ) − tt − t2tb = (thd 2 − t1 ) − tt − ts2 = 101,6 - 2- 14,9 – 76,3 = 8,39 oC

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Vậy nhiệt tải riêng q2

( q2 )noi 2 = (2 )noi 2 . ( t2 )noi 2 = 2166,5253.8,39 = 18182,4344 W/m2

Sai số: 1 =

q1 − q2 q1

=

16863,7553-18182,4344 16863,7553

= 7,8 % < 10 % . Nên chấp

nhận kết quả Vậy nhiệt tải trung bình: q1 + q2 16863,7553+18182,4344 = qtb1 = = 17523,095 W/m2 2 2 2.4.1.4 Hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi. - Phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau. F1 = F2 = const Trong trường hợp này hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi tỉ lệ bậc nhất với tỉ số

Q của các nồi tương ứng: K Qi K thi −i = n =2 i . thi (Công thức VI.20, trang 68 STQTTB 2) Qi  i =1 Ki

Với: +ΣΔthi – tổng hiệu số nhiệt độ có ích của các nồi; +Qi - nhiệt lượng cung cấp, W Qi =

Di .ri 3600

Di- lượng hơi đốt của mỗi nồi, kg/h ri- ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi, J/kg +Ki – hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ; Ki =

1 1

1

+ r +

1

2

Bảng các thông của dung dịch và hơi ở các nồi. 2 r1 Nồi  1 r 1 9298,2938 1914,9484 0.000656 2171000 2 8431,8776 2166,5253 0.000884 2256130 - Nồi 1:

Di 4567,23 4383,04

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

D1 .r1 4567,23.2171000 = = 2754293,425 (W) 3600 3600 1 = 777,7538, W/m2.độ K1 = 1 1 + 0,000656 + 9298,2938 1914,9484

Q1 =

Suy ra :

Q1 2754293,425 = = 3541,3434 K1 777,7538

- Nồi 2:

D2 .r2 7383,04.2256130 = 2746863,343 (W) = 3600 3600 1 = 682,9826 K2 = 1 1 + 0.000884 + 8431,8776 2166,5253

Q2 =

Suy ra:

Q 2 2746863,343 = = 4021,8642 K2 682,9826

Nên ta có: n =3

Qi

Q1

 Ki = K i =1

1

+

Q2 = 3541,3434 + 4021,8642 = 7563,20769 K2

- Vậy, hiệu số nhiệt độ hữu ích ở từng nồi. + Nồi 1 thi1 = 46,2

3541,3434 = 21,6323 0C 7563,20769

+ Nồi 2: thi1 = 46,2

4021,8642 = 24,5676 7563,20769

0

C

Tính sai số so với giả thiết ban đầu.

21,6323 − 20,9 100% = 3,5 % 0,5 Dt − 2 R (1 − cos  ) + d 

 Sd =

=

= 0,5.[1-2.0,15.(1-cos45)+50,3.10-3 = 0,48 (m) D '.P +C

2 cos  (  − P )

0,8697.159177,358 2 cos 45(131,54.10 6 0,95 − 159177,358)

+ 1,8.10-3

= 2,58.10-3 Vì kết quả tính được từ (1) lớn hơn nên sử dụng công thức (1) Ta thấy: S – C < 10 m, nên bỗ xung thêm 2 mm nữa vào giá trị C Sđ = 2,63 + 2 = 4,63 (mm) Chọn S = 5 (mm) Kiểm tra ứng suất thành đáy buồng đốt theo áp suất thử. =

Dt .P0 . y   c 2.(S d − C ). h 1,2

Po: áp suất thử thủy lực. Po = 1,5.Pht + p1 = 1,5.1,137.9,81.104 + 4,602.9,81.1055,2 = 214947,208 N/m2  =

Dt .P0 .y  1.214947,208.1,3 = = 122,55.106 < c = 200.106 N/m2 3 2.(Sd − C ). h 2.(5 − 3,8).10 .0,95 1,2

- Bề dày buồng đốt nồi 2. * Tính theo công thức 1: Sd =

Dt .P. y -3 + C = 1.71357,7118.1.3 + 1,8.10 −3 = 2,17.10 6 2. u . h 2.131,54.10 .0,95

(m)

* Tính theo công thức 2: Sd = =

D '.P 2 cos  (  − P )

+C

0,8697.71357,7118 2 cos 45(131,54.10 6 0,95 − 71357,7118)

+ 1,8.10-3

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

= 2,15.10-3

(mm)

Vì kết quả tính được từ (1) lớn hơn nên sử dụng công thức (1) Ta thấy: S – C < 10 m, nên bỗ xung thêm 2 mm nữa vào giá trị C Sđ = 2,17 + 2 = 4,17 (mm) Chọn S = 5 (mm) Kiểm tra ứng suất thành đáy buồng đốt theo áp suất thử. =

Dt .P0 . y   c 2.(S d − C ). h 1,2

Po: áp suất thử thủy lực. Po = 1,5.Pht + p1 = 1,5.0,25.9,81.104 + 4,602.9,81.1037,37 = 83620,2118 N/m2  =

Dt .P0 .y  1.83620,2118.1,3 = = 47,67.106 < c = 200.106 N/m2 3 2.(Sd − C ). h 2.(5 − 3,8).10 .0,95 1,2

Vậy chọn bề dày đáy bồng đốt cho cả hai nồi là: 5 mm 2.4.3 Buồng bốc. 2.4.3.1 Đường kính trong của buồng bốc. Chọn đường kính trong của buồng bốc: Db =1,6(m) (chọn theo TC bảng XIII.6, trang 359, STQTTB tập 2) 2.4.3.2 Chiều cao buồng bốc hơi: - Thể tích không gian hơi được xác định: Vkgh =

W (m3) (CT VI.34, trang 72, STQTTB,T2)  h .U tt

Trong đó: +Vkgh:là thể tích không gian hơi (m3) +W :là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3) +  h :là khối lượng riêng của hơi thứ(kg/m3) +Utt :là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi trong một đơn vị thời gian(m3/m3.h). Utt=f.Utt(1at) khi P  1at  Utt(1at) :cường độ bốc hơi cho phép ở P = 1 at. thường thì Utt=1600-1700(m3/m3.h). Chọn Utt = 1600  f: hệ số hiệu chỉnh (tra đồ thị VI.3, trang 72, STQTTB T2)

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Ta có: Pht1 = 1,137at tra được f = 0,9 P2 = 0,25 at. Lúc này f > 1 - Chiều cao không gian hơi: H kgh =

4.Vkgh

 .Db

(CT VI.34, , trang 72, STQTTB T2)

 Nồi 1: Ta có: W1 = 4383,04 Kg/h  ht = 0,599 Kg/m3 (Tra bảng I.205, trang 312, STQTTB tập 1 theo nhiệt độ hơi thứ) W1 4383,04 = = 5,08  h1 .U tt 0,599 .1600.0,9 4.5,08  H kgh1 = = 2,5 m > 1,5 m 3,14.1,62

+ Vkgh1 =

m3

 Nồi 2: Pht 2 = 0,25(at ) :hệ số f tăng rất nhanh (theo đồ thị VI.3, trang 72, STQTTB T2)

Vì vậy : Vkgh2  Vkgh1  Hkgh2  Hkgh1 = 2,5 Vậy chọn chiều cao buồng bốc cho cả 2 nồi là 2,5 (m). 2.4.3.2 Tính bề dày thân buồng bốc: - Chọn vật liệu chế tạo là thép CT3, thân hình trụ hàn, thiết bị làm việc thẳng đứng. - Bề dày thân buồng bốc tính theo công thức sau: S=

Db .P +C 2.  . − P

(CT XIII.8, trang 360, STQTTB,Tập 2)

+ Db = 1,6 m +  = 0,95 +[σ] = 131,54.106 (N/m2) + P: áp suât trong của thiết bị. P = Pht + p1 = Pht  P nồi 1 = 1,137.9,81.104 = 111539,7 N/m2 P nồi 2 = 0,25.9,81.104 = 24525 N/m2 - Nồi 1: +Ta có: S =

1,6.111539,7 + 1,8.10−3 = 2,51.10-3 6 2.131,54.10 .0,95 − 111539,7

Chọn S = 3 (mm)

(m)

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

+Kiểm tra ứng suất:

 Db + ( S − C )  Po  c =  2 ( S − C ) 12

Po:là áp suất thử tính toán. Po=Pth+p1 (CT XIII.27,STQTTB,T2, trang366). Pth: áp suất thử thuỷ tĩnh chọn Pth=1,5Pht,vì 0,07 < Pht1< 0,5 N/m2 (Bảng XIII.5,STQTTB,T2, trang 358)  Po = 1,5.1,137.9,81.104 = 167309,55 N/m2 1,6 + ( 3 − 1,8)10−3  .167309,55 Ta thấy:  = = 117,5.106  200.106 ( N / m2 ) 2. ( 3 − 1,8)10−3.0,95

Vậy chọn S = 3(mm) Nồi 2: + Ta có: S =

1,6.34701,599 + 1,8.10 −3 = 1,95.10-3 6 2.131,54.10 .0,95 − 34701,599

Chọn S=2 (mm +Kiểm tra ứng suất:

 Db + ( S − C )  Po  c =  2 ( S − C ) 12

Po:là áp suất thử tính toán. Po=Pth+p1 (CT XIII.27,STQTTB,T2, trang366). Pth: áp suất thử thuỷ tĩnh chọn Pth=Pht+0,1 ,vì Pht2 < 0,07 (N/m2) (Bảng XIII.5,STQTTB,T2, trang 358)  Po = (0,25+0,1).9,81.104 = 34335 N/m2 1,6 + ( 3 − 1,8)10−3  .34335 Ta thấy:  = = 144.106  200.106 ( N / m2 ) −3 2. ( 3 − 1,8)10 .0,95

Vậy chọn bề dày buồng bốc cho cả 2 nồi là: S = 3 mm 2.4.3.3 Bề dày nắp buồng bốc -Thiết kế nắp cho cả 2 nồi theo hình elip có gờ,vật liệu bằng thép TC3 Sn =

Db .P D . b + C(m) (CT XIII.47, trang385, STQTTB,T2) 3,8 k  k.h − P 2.hb

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị Dt

h hB S

Quan hệ kích thước đáy elip: hb = 0,25 Dt + Chọn h = 60 mm + Db = 1,6 (m) +  k  = 131,54.106 N/m2 +hb: chiề cao phần lồi của nắp. hb=0,25.Dt=0,25.1,6=0,4(m) + k: hệ số không thứ nguyên. k=1-d/Db d: đường kính lớn nhất trên nắp thiết bị. Chọn d = 0,25 m  k=1-d/Db=1-0,25/1,6=0,844 + P: áp suất trong thiết bị. P = Pht N/m2 Nồi1: - Ta có: P = Pht1 = 1,137.9,81.104 = 111539,7 Db .P D Sn = . b +C 3,8 k  k.h − P 2.hb =

1,6.111539,7 1,6 . + 1,8.10−3 6 3,8131,54.10 0,844.0,95 − 111539,7 2.0,4

= 2,69.10-3 (m) Vì S-C=(2,69-1,8)10-3=0,89.10-3 104 −3 0,5998.10 Vậy ống Baromet có chế độ chảy xoáy, ở chế độ chảy xoáy ta có thể xác định hệ số ma sát theo công thức sau:  6,81  0,9   1 = −2 lg   +  (CT II.65,STQTTB,T1, trang 380) 3,7    Re  Với:  : độ nhám tương đối xác định theo công thức sau:  = .

Dtd Trong đó:   : độ nhám tuyệt đối- là chiều cao trung bình của gờ nhám hay chiều sâu trung bình của rãnh. Giá trị độ nhám phụ thuộc vào điều kiện gia công, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo. Dựa vào bảng II.15, STQTTB t1, trang 381 chọn:  = 0,1 (mm). dtd: đường kính tương đương của ống bằng đường kính trong của ống Baromet (m). dtđ = 0,2 m 0,1.10 −3 = = 5.10-4 0,2 0,9  1 6,81 5.10-4    = −2 lg   + 3,7  = 7,212 165096, 7        = 19,22.10−3. 0,52  −3 H  h = 2,5 + 19,22.10 = 0,032 + 1,2245.10-3.H Nên: 2 2.9,81  0,2  Vậy: H = h1+h2+0,5= 7,83 + (0,032+ 1,2245.10-3.H) + 0,5 = 8,362 + 1,2245.10-3.H Suy ra: H = 8,37 (m)

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

- Vậy ta chọn: H = 9 (m) Ngoài ra, còn lấy thêm chiều cao dự trữ là 0,5 m để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường ống dẫn hơi khi áp suất khí quyển tăng. Nên chiều cao của Bazomet là: H= 9,5(m). Nhưng trong thực tế thì chiều cao ống Baromet không được bé hơn 11 m nên ta lấy chiều cao của Baromet là 11 (m) 3.2.Chọn bơm. 3.2.1 Bơm chân không. Ngoài tác dụng hút khí không ngưng và không khí, bơm chân không còn có tác dụng tạo độ chân không cho thiết bị ngưng tụ va thiết bị cô đặc. - Tính công suất tiêu hao N: Trong thực tế quá trình hút khí là quá trình đa biến nên: k −1   k   P k N= P1 .vkk  2  − 1 (CT III.3, CSQTTB,T1, trang 119).  P1    ck (k − 1)   Với: + P1: áp suất khí lúc hút (N/m2); P1=Pkk Pkk : áp suất không khí và khí không ngưng trong thiết bị Pkk = Pnt – Ph = 0,25 – 0,046 = 0,204 (at) +P2: áp suất khí lúc đẩy (N/m2). Chọn P2 = 1,02 (at) +K : chỉ số đa biến của không khí, lấy k=1,25. + ck : hiệu số cơ khí của bơm chân không kiểu pittông,  ck =0,9. +Vkk: thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi hệ thống (m3/s). Vkk = 0,053 (m3/s) 1,25−1   1,25 1,25 1,02   4  N= .0,204.9.81.10 .0,053.  − 1   0,204   0,9. (1,25 − 1)   = 1133,9 (kW) N - Công suất của động cơ: N dc = (CT II.190, STQTTB,T2, Tr139)  tr . dc  tr : hiệu suất truyền động,  tr = 0,9.  dc : hiệu suất động cơ,  dc = 0,95

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

N 1133,9 = = 1326,2 (kW) tr .dc 0,9.0,95 - Công suất dự trữ của động cơ: N c dc = Ndc . (CT II.191, STQTTB, T2, Tr439).  : là hệ số dự trữ công suất, thường lấy  =1,1-1,15. chọn  =1,12. Vậy công suất của động cơ bơm chân không là : N dc = 1326,2 .1,12 = 1485,34 (kW)  N dc =

3.2.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ. Chọn bơm ly tâm 1 guồng để bơm nước lạnh lên thiết bị ngưng tụ. - Ta chọn chiều cao ống hút là: H = 4,5 (m), (Tra bảng II.31, STQTTB T1, Tr 439.) - Chiều cao ống đẩy = chiều cao tháp + chiều cao ống baromet = 3,7+11=14,7(m). - Đường kính ống dẫn nước: Gn 32,98 d= = = 0,145 m 0,785.. 0,785.2.997,08 Chọn d =150 (m). - Công suất của động cơ được tính theo công thức sau: Q.H . .g N= ( KW) . (CT II.189, STQTTB,T1, trang 439). 1000 Với: +  :Khối lượng riêng của nước ở 25(oC). +N:công suất cần thiết của bơm(KW). +Q:Năng suất của bơm(m3/s). +H: áp suất toàn phần (áp suất cần thiết để chất lỏng chảy trong ống). +  :hiệu suất của bơm,  =  0 . tl .ck ( 0 : hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng Chảy từ vùng áp cao đến vùng áp thấp và do chất lỏng rò qua các chỗ hở của bơm;  tl : hiệu suất thủy lực, tính đến ma sát và sự tạo ra dòng xoáy trong bơm; ck : hiệu suất cơ khí của bơm, tính đến ma sát ở ổ bi, ổ lót trục.) chọn  =0,8. W 3 (m / s ).  Tính Q: Q =



Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

Với: W:là lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ.(kg/s). 32,98 Q = = 0,033 (m3/s) 997,08 Tính H: H=Hm+Ho+Hc(m). Với: Hm:trở lực thuỷ lực trong mạng ống..(áp suất tiêu tốn để thắng trở lực trên đường hút và đường đẩy) Hc :chênh lệch áp suất ở cuối ống đẩy và đầu ống hút. Ho :tổng chiều dài hình học mà chất lỏng được đưa lên (gồm chiều cao hút và chiều cao đẩy) 2  l  H m =   +   (m). +Tính Hm:  d  2.g Với: l : chiều dài toàn bộ ống, l = 20 (m). D: đường kính trong của ống, d = 150 (m).  :tốc độ của nước trong ống (m/s).  :hệ số ma sát.   :trở lực chung. Vận tốc của nước trong ống:  = 2 m/s .d. n Hệ số ma sát được xác định qua chế độ chảy Re: Re = .



Với:  : độ nhớt của nước ở 25( C),  =0,8937.10 (N.s/m ). 2.0,15.997,08  Re = = 334702,9 > 104 0,8937.10 −3 Nên trong ống có chế độ chảy xoáy. Ở chế độ chảy xoáy, người ta dùng công thức sau để tính hệ số ma sát.  6,81  0,9   1 = −2 lg   +  (CT II.65, STQTTB,T1, trang 380). 3,7    Re  Với:  : là độ nhám tương đối được xác định theo công thức sau: o

=



-3

. d td Trong đó: d tđ: đường kính tương đối của ống.(m) dtđ = 0,15 m  : độ nhám tuyệt đối,  =0,1(mm)

0,1.10 −3 = = 0,667.10 −3. 0,15

2

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

 6,81 0,9 0,667.10 −3   = −2 lg  =  + 3,7   334702,9     = 0,019 Tổng trở lực: Theo bảng I.1,STQTTB,T1/Trang 69;ta có:   cửa vào=0,06.   cửa ra=1  khuỷu ống=1,26.(3 khuỷu) (bảng I.3,STQTTB,T1/Trang 70).  van tiêu chuẩn=4,1.(Bảng I.6,STQTTB,T1/Trang 72)  van chắn=0,05.(Bảng I.5,STQTTB,T1/Trang 71). →   = 0,06 + 1 + 3.1,26 + 4,1 + 0,05 = 8,99 1

2 20   2 + 8,99  = 2,45 (m) Vậy: H m =  0,019. 0,15 2.9,81  

P2 − P1 ( m)  .g Với: P1, P2: là áp suất tương ứng đầu ống hút, cuối ống đẩy. Chọn P1 = 1 at, P2 = 0,25 at (0,25 − 1)9,81.10 4  Hc = = -7,52 (m) 997,08.9,81 Áp suất toàn phần của bơm là: H= 2,45 + 19,45 + (-7,52 )= 14,38(m). Vậy công suất của bơm Q.H . .g 0,033.14,38.997,08.9,81 N= = = 5,8 (KW) 1000 1000.0,8 + Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy và đầu ống hút: H c =

N 7,28 = = 6, 78( KW). tr .dc 0,9.0,95 Người ta thường lấy động cơ có công suất lớn hơn công suất tính toán để tránh hiện tượng quá tải. Chọn hệ số dự trữ  =1,12. Suy ra:N=  .Nđc=1,12.6,78 = 7,6 (KW). N dc = 1,962.1.12 = 2,198 W - Công suất của động cơ điện:

N dc =

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị

KẾT LUẬN Trong thời gian được giao nhiệm vụ thiết kế đồ án môn học, em đã thực hiện rất nghiêm túc và cố gắng hết khả năng của bản thân. Đến nay, em đã cơ bản hoàn thành nhiệm vụ của mình. Bản đồ án thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều, thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài kiểu đứng tuần hoàn cưỡng bức +Phần I: Phần tổng quan về quá trình cô đặc +Phần II:Tính thiết bị chính +Phần III: Tính thiết bị phụ. Sau khi thực hiện bản đồ án này,em đã hình dung ra công việc của người thiết kế. Ngoài ra còn giúp em nắm vững hơn phần lý thuyết đã học, cách tính toán các thiết bị và phân tích lựa chọn thiết bị, vật liệu làm thiết bị để phù hợp với yêu cầu thực tế. Nhưng qua đó em cũng nhận thấy rằng bản thân còn phải học hỏi rất nhiều. Và để cho thiết kế của mình có thể đi vào thực tế thì cần phải thực hiện rất nhiều vấn đề nữa.Tuy em đã cố gắng rất nhiều nhưng do kiến thức bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Mong rằng trong thời gian sắp đến em hoàn thiện hơn kiến thức của mình để có thể làm tốt hơn những thiết kế sau này. Đà Nẵng, tháng 12/năm 2007. Tài liệu tham thảo: *Sổ tay Quá Trình Thiết Bị Tập 1. *Sổ tay Quá Trình Thiết Bị Tập 2. *Sách Quá Trình Thiết Bị 1 *Sách Quá Trình Thiết Bị 2