Tài liệu đồ án quá trình và thiết bị công nghệ hóa học

Mục Lục CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................................................4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN ................................................................................................................4 I. II. TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU .....................................................................................................4 III. CÔ ĐẶC .........................................................................................................................................4 1. Định nghĩa ..................................................................................................................................4 2. Các phương pháp cô đặc...........................................................................................................4 3. phân loại và ứng dụng ...............................................................................................................4 4. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn. .........................................................5 IV. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................................................................6 1. Thuyết minh quy trình công nghệ............................................................................................6 2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ ..........................................................7 CHƯƠNG II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH ..........................................................................................8 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ..........................................................................8 A. I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT .................................................................................................................8 1. Cân bằng vật chất ......................................................................................................................8 B. Thiết kế thiết bị chính .................................................................................................................13 I. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc....................................................................................13 1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ...........................................................................................13 2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi ..........................................................13 3. Nhiệt tải riêng phía tường.......................................................................................................14 4. Nhiệt tải riêng trung bình .......................................................................................................15 5. Tiến trình các tải nhiệt riêng ..................................................................................................15 6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc ..........................................................15 7. Diện tích bề mặt truyền nhiệt .................................................................................................16 Tính kích thước thiết bị cô đặc ..................................................................................................16 C. Tính kích thước buồng bốc ............................................................................................................16 I. 1. Đường kính buồng bốc ............................................................................................................16 2. Chiều cao buồng bốc ...............................................................................................................17 II. Tính kích thước buồng đốt .........................................................................................................17 1. Số ống truyền nhiệt..................................................................................................................17 2. Đường kính ống tuần hoàn .....................................................................................................18 Trang 1 3. Đường kính buồng đốt ( Dt ) ..................................................................................................18 4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt ..............................................................................................19 Tính kích thước các ống dẫn ......................................................................................................19 III. 1. ống nhập liệu ............................................................................................................................19 2. ống tháo liệu .............................................................................................................................20 3. ống dẫn hơi đốt ........................................................................................................................20 4. ống dẫn hơi thứ ........................................................................................................................20 5. ống dẫn nước ngưng ................................................................................................................20 6. ống dẫn khí không ngưng .......................................................................................................21 tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc ...................................................................21 D. 1. tính cho buồng đốt ...................................................................................................................21 2. Tính cho buồng bốc .................................................................................................................23 3. Tính cho đáy buồng bốc ..........................................................................................................27 4. Tính cho nắp buồng bốc ..........................................................................................................30 5. Tính cho nắp buồng đốt ..........................................................................................................32 6. Tính cho đáy buồng đốt ..........................................................................................................34 7. Tính mặt bích ...........................................................................................................................34 8. Tính vỉ ống ...............................................................................................................................34 9. Khối lượng và tai treo buồng bốc...........................................................................................37 10. Khối lượng và tai treo buồng đốt ...........................................................................................40 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ............................................................................................44 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ..................................................................................................................44 I. 1. Chọn thiết bị ngưng tụ ............................................................................................................44 2. tính thiết bị ngưng tụ .....................................................................................................................44 II. Bơm ..............................................................................................................................................49 1. Bơm chân không ......................................................................................................................49 2. Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ .....................................................................................50 KẾT LUẬN.................................................................................................................................................55 Trang 2 Lời nói đầu Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn. Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịch hóa chất là thiết bị cô đặc. Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến. Vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sữa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu. Trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ hóa học là một môn học giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, có những kỹ năng tính toán cần thiết sau khi ra làm việc thực tế. Làm đồ án giúp cho sinh viên biết hệ thống hóa kiến thức đã được học vào trong thực tế, mỗi sinh viên sẽ tự biết sử dụng trong việc tra cứu các thong số cần thiết, vận dụng đúng các kiến thức đã được học trong tính toán một cách chính xác, tỉ mỉ từng bước tránh những sai sót đáng tiếc về sau, nâng cao kỹ năng trình bày và đọc được bản vẽ thiết bị một cách có hệ thống. Trang 3 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Nhiệm vụ cụ thể của đồ án môn học này là Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% đến nồng độ 40% I. , năng suất nguyên liệu 600kg, sử dụng ống chùm. II. TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU NaOH là một khối tinh thể trong suốt, màu trắng, ăn da mạnh. Nhiệt độ nóng chảy là 3180C Nhiệt độ sôi là 13880C Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO2 của không khí, dễ chảy rửa thành Na2CO3. NaOH dễ dàng tan trong nước, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch NaOH (dạng dung dịch được sử dụng nhiều) III. CÔ ĐẶC 1. Định nghĩa Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2 hai nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh. Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi sang dạng hơi. 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, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tuỳ 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 ta phải dùng máy lạnh. 3. phân loại và ứng dụng a. theo cấu tạo Trang 4    - Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:  Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.   Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)  - Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao 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. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao 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.  b. theo phương pháp thực hiện - Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất. - Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục. - Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta 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 được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy. 4. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn. Trang 5 Ưu điểm - Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi. - Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng. - Thao tác dễ dàng - Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau - Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch - Cấu tạo đơn gỉan, giá thành thấp Nhược điểm - Quá trình không ổn định, tính chất hóa lí của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian. - Nhiệ t độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác. - Khó giữ được độ chân không trong thiết bị IV. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1. Thuyết minh quy trình công nghệ Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 10%. Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm vào buồng đốt bằng bơm nhập liệu. Khi đã nhập đủ 600kg thì bắt đầu cấp hơi đốt vào buồng đốt để gia nhiệt Buồng đốt 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 vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào buồng bốc để cô đặc và thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài. Dung môi là nước bốc hơi sẽ thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt. hơi thứ được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa. phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: Dung dịch đi trong ống truyền nhiệt còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống ở buồng đốt. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống. dung dịch sau khi đạt tới nhiệt độ sôi cần thiết sẽ được chảy qua buồng bốc bằng ống tuần hoàn ngoài để thực hiện quá trình bốc hơi và cô đặc. ống tuần hoàn nối với đáy buồng bốc được Trang 6 2. khóa lại bằng van và dung dịch sau khi đạt được nồng độ 40% sẽ được tháo ra bồn chứa qua ống tháo liệu dưới đáy buồng bốc. nếu trong quá trình gia nhiệt dung dịch đi trong buồng đốt rồi được đưa vào buồng bốc nhưng chưa được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi thì van ống tuần hoàn nối với đáy buồng bốc sẽ mở để hoàn lưu dung dịch trở lại buồng đốt bằng bơm tuần hoàn, để tiếp tục gia nhiệt cho dung dịch Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ Thiết bị chính:  Ống nhập liệu, ống tháo liệu   Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt   Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp   Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng            Thiết bị phụ:  Bể chứa nguyên liệu   Bể chứa sản phẩm   Bồn cao vị   Lưu lượng kế   Thiết bị gia nhiệt   Thiết bị ngưng tụ baromet   Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị       Bơm tháo liệu  Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ  Bơm chân không  Các van  Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…  Trang 7 CHƯƠNG II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH A. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các số liệu ban đầu: nồng độ đầu 10%. Nồng độ cuối 40%. Năng suất nhập liệu Gđ = 600kg Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 300c Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất 4at Áp suất chân không cô đặc: Pck = 0.7at  Pc = 1 – 0.7 = 0.3 1. Cân bằng vật chất a. Suất lượng tháo liệu (Gc) Theo công thức 5.16, trang 293, [5] Gđ.Xđ = Gc.Xc Gc = 𝐺đ.𝑋đ 𝑋𝑐 = 600.10 40 = 150kg Tổng hơi thứ bốc lên (W) Theo công thức 5.16, trang 293, [5] Gđ = W + Gc  W = Gđ – Gc = 600 – 150 = 450kg Trong đó: Gđ, Gc: W: lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn , kg lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg Xđ, xc: nồng độ đầu và cuối mỗi giai đoạn Gđ.xđ, Gc.xc: khối lượng NaOH trong dung dịch, kg b. Tổn thất nhiệt độ Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là Pc = 0.3at  Nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tc = 68,70c (bảng I.251, trang 314 [1] ) ∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ. chọn ∆’’’ = 10c ( trang 296 [5] ) Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc Tsdm (P0) = tc + ∆’’’ = 68,7 + 1 = 69,70c Áp suất buồng bốc ( tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 69,70c  P0 = 0,3139 at Trang 8 c. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’) Theo công thức TisenCo ( VI.10 trang 59 [2] ) ∆’ = ∆’0.f Trong đó ∆’0: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển. Dung dịch được cô đặc tuần hoàn nên A = Xc = 40% Trong bảng VI.2 trang 67 [2]  ∆’0 = 280c f _ hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11 trang 59, [2] (𝑡+273)2 f = 16,14. 𝑟 trong đó t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho ( tsdm (Po) = 69,70c ) r - ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, trong bảng I.251, trang 314 [1]. r = 2333,732 KJ/Kg  F = 16,14. (69,7+273)2 2333,732.1000 = 0.812  ∆’ = 28 . 0,812 = 22,7360c  Tsdd (Po) = tsdm (Po) + ∆’ = 69,7 + 22,736 = 92,4360c d. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆p (N/m2), ta có 1 ∆p = . 𝜌s.g.Hop , N/m2 2 Trong đó 𝜌s – khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sủi bọt, Kg/m3 Hop – chiều cao lớp chảy lỏng sôi Hop = [ 0.26 + 0.0014(𝜌dd – 𝜌dm) ]. Ho Với Ho – chiều cao ống truyền nhiệt 𝜌dm – khối lượng riêng của dung môi ở tsdm Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho = 1,5m Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số (𝜌dd – 𝜌dm) thay đổi không đáng kể nên ta chọn tra 𝜌dd , 𝜌dm ở 200c 𝜌dd (40%) = 1430kg/m3 𝜌dm = 998,23 Kg/m3  Hop = [ 0,26 + 0.0014.(1430 – 998,23) ]. 1,5 = 1,297m Trang 9 1 ∆p = 0,5. 𝜌hh.g.Hop = 0,5. . 1430.9,81. 1,297 = 4548,68 (N/m2) = 0,046at 2  Ptb = P0 + ∆p = 0,3139 + 0,046 =0,3599at Nhiệt độ sôi của nước ở 0,3599at là 72,800c ( bảng I.251 trang 312 [1] ) Độ tăng nhiệt độ sôi của cột thủy tĩnh ∆’’ = tsdm(Ptb) – tsdm(Po) = 72,80 – 69,7 = 3,10c Nhiệt độ sôi dung dịch NaOH 40% ở áp suất Po + ∆p là tsdd(Po + ∆p) = 92,436 + 3,1 = 95,5360c Sản phẩm được lấy ra tại đáy  tsdd(Po + 2∆p) = 92,436 + 2.3,1 = 98,6360c  tổn thất nhiệt độ  ∑ ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 22,736 + 3,1 + 1 = 26,8360c Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt 4at, tD = 142,90c ( bảng I.251, trang 315 [1] ) Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ∆thi = tD – ( tc + ∑ ∆ )  ∆thi = 142,9 – ( 69,7 + 26,836 ) = 46,3640c Thông số Nồng độ đầu Nồng độ cuối Năng suất nhập liệu Năng suất tháo liệu Suất lượng Áp suất Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ ẩn nhiệt ngưng tụ Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Po Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Ký hiệu Xđ Xc Gđ Gc Hơi thứ W Po tsdm(Po) Hơi đốt PD tD rD Tổn thất nhiệt độ Tsdd(Po) ∆’ Trang 10 Đơn vị %wt %wt kg/h kg/h Giá trị 10 40 600 150 kg/h at 0 C 450 0,3139 69,7 at 0 C kJ/kg 4 142,9 2141 0 C 92,436 0 C 22,736 Áp suất trung bình Nhiệt độ sôi của dung môi ở Ptb Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh Tồn thất nhiệt độ trên đường ống Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb Tổng tổn thất nhiệt độ Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Ptb tsdm(Ptb) at 0 C 0,3599 72,80 ∆’’ 0 C 3,1 ∆’’’ 0 C 1 tsdd(Ptb) 0 C 95,536 ∑∆ ∆thi 0 C 0 C 26,836 46,364 e. Cân bằng năng lượng a. Cân bằng nhiệt lượng Dòng nhiệt vào (W) Do dung dịch đầu Gđ.Cđ.tđ Do hơi đốt D.i’’D Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt 𝜑.Dc.tc Dòng nhiệt vào (W) Do sản phẩm mang ra Gc.Cc.tc Do hơi thứ mang ra W.i’’W Do nước ngưng D.C.𝜃 Nhiệt cô đặc Qcđ Nhiệt tổn thất Qtt Nhiệt độ do dung dịch NaOH 10% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt tvào = 300c tra = tsdd(Po) = 92,4360c  Nhiệt độ dung dịch NaOH 10% đi vào thiết bị cô đặc tđ = 92,4360c  Nhiệt của dung dịch NaOH 40% đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là tc = tsdd(Po + 2∆p) = 92,436 + 2.3,1 = 98,6360c ( công thức 2.15 trang 107 [3] ) Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43, I.44 , trang 152 [1] a =10% ( a < 0,2 ) cđ = 4186. (1 – a ) = 4186. ( 1 – 0.1 ) = 3767,4 J/(Kg.K) a = 40% ( a > 0,2 ) cc = 4186 – ( 4186 – cct ).a = 4186 – ( 4186 – 1310,75 ). 0,4 = 3035,9 J/(Kg.K) Trang 11 Với Cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức I.41 trang 152, [1] Cct = 𝐶𝑁𝑎.1+𝐶𝑜.1+𝐶𝐻.1 𝑀𝑐𝑡 = 26000+16800+9630 40 = 1310,75 J/(Kg.K) b. Phương trình cân bằng nhiệt Gđcđtđ + D iD" + φDctD = Gccctc + W iW" + Dcθ ± Qcđ + Qtt * (+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt ) Có thể bỏ qua: - nhiệt lượng do hơi nước bão hòa ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi buồng đốt: φDctD = 0 - Nhiệt cô đặc: Qcđ = 0 Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).  Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( iD" - cθ); W Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì ( iD" - cθ) = rD = 2141 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt). Từ *  D.( 1- 𝜑 ). (I’’D – C 𝜃) + Gđ.Cđ.tđ = Gc.Cc.tc + W.i’’W + Qtt Lượng Qtt ra môi trường xung quanh thường tính bằng ( 0,03 – 0,05 )Q Thay Qtt = 𝜀.QD = 0,05.QD ( trang 143, [9] )  QD = D.( 1- 𝜀 ). (1 – φ ).( iD" - cθ) = Gđ. ( Cc.tc – Cđ.tđ ) + W.( I’’W – Cc.tc )  Lượng hơi đốt biểu kiến Gđ.( Cc.tc – Cđ.tđ )+𝑊.( 𝑖 ′′ 𝑊 − 𝐶𝑐𝑡𝑐 ) D= (1−𝜀 ).(1− 𝜑 ).𝑟𝐷 = 600 450 .( 3035,9 .98,636−3767,4.142,9 )+ +(2333,732.103 −3035,9.98,636 ) 3600 3600 ( 1−0.05 ).(1−0.05).2141000 = 0,111kg/s Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD = D. ( 1- 𝜀 ). ( 1 – 𝜑 ). rD = 0,111. ( 1 – 0,05 ). ( 1 – 0,05 ). 2141000 = 214480,03 (W) Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng d= 𝐷 𝑊 = 0,111 450 .3600 = 0,888 kg hơi đốt/ kg hơi thứ. Thông số Nhiệt độ vào buống bốc Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt Nhiệt dung riêng dung dịch 10% Nhiệt dung riêng dung dịch 30% Nhiệt tổn thất Nhiệt lượng do hơi đốt cung Ký hiệu Tđ Tc Cđ Đơn vị 0 c 0 c J/(kg.K) Giá trị 92,4360c 98,6360c 3767,4 CC J/(kg.K) 3035,9 Qtt QD W W 10724,0015 214480,03 Trang 12 cấp Lượng hơi đốt biểu kiến Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng D d Kg/s Kg/s 0,111 0,888 B. Thiết kế thiết bị chính I. Tính toán truyền nhiệt 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. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h 0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên bề mặt đứng. Công thức (V.101), trang 28, [4] được áp dụng: 𝛼 1 = 2,04. A( 𝑟 𝐻.∆𝑡1 )0,25 (2) Trong đó: α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K) r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at (2141 kJ/kg) H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h 0 = 1,5 m) A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm Tm = 𝑡𝐷+𝑡𝑣1 2 (1) Chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 139,80C Sau nhiều lần tính lặp  Tm = 142,9+139,8 2 = 141,350C Tra A ( trang 29, [2] )   A = 194,405 ∆t1 = tD – tv1 = 142,9 – 139,8 = 3,10C ∆t1 = tD – tv1 – hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía tường tiếp xúc với hơi ngưng, 0C  𝛼 1 = 2,04. 194,405.( 2141000 1,5.3,1 ) = 10330,67 W/(m2.K) Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng q1 = 𝛼 1. ∆t1 = 10330,67. 3,1 = 32025,08 W/m2 2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]:  𝛼 2 = 𝛼 n. ( 𝜆𝑑𝑑 𝜆𝑑𝑚 )0,565 . [ ( 𝜌𝑑𝑑 𝐶𝑑𝑑 )2 . ( ).( 𝜌𝑑𝑚 𝐶𝑑𝑚 Trang 13 𝜇𝑑𝑚 𝜇𝑑𝑑 ) ]0,435 W/(m2.K) (4) Trong đó: αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt nên α n được tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]: α n = 0,145.p 0,5 .Δt 2,33 với P = Po = 0,3139 at = 3078,564 N/m2 Sau khi tính lặp ta có tv2 = 112,43370C  ∆t = tv2 – tsdd(Ptb) = 112,4337 – 95,536 = 16,8980C  𝛼n = 0,145. 30783,5640,5 . 16,8982,33 = 18466,463 W/(m2.K) Tra:  cdd = 3490 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb ), tra bảng I.154, trang 172 [1]  cdm = 4189,24 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb), tra bảng I.249 trang 311 [1]  𝜇dd = 0,00292Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb), tra bảng I.101 trang 91 [1]  𝜇dm = 0,000387 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb ), tra bảng I.249 trang 311 [1]  ρdd = 1378,123 kg/m3 - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), tra bảng I.2 trang 9 [1]  ρdm = 976,175 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm (ptb ), tra bảng I.5 trang 11 [1]  λdd = 0,5601 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd (ptb), tra bảng I.130 trang 134 [1]  λdm = 0,67 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm (ptb), tra bảng I.249 trang 311 [1]  𝛼2 = 18466,46. ( 0,56 0,565 ) . 0,67 [( 1378,123 2 3490 0,000387 0,435 ) .( .( ) )] 976,175 4189,24 0,00292 = 8637, 38 W/m2.k 3. Nhiệt tải riêng phía tường Công thức tính ∆𝑡𝑣 qv = ∑ 𝑟𝑣 , W/m2 trong đó: ∑rv tổng tở vách ; m2.K/W 𝛿 0,002 𝜆 16,3 ∑rv = r1 + + r2 = 0,3448.10−3 + = 0,8545. 10-3 m2.K/W Trang 14 + 0,387. 10−3 Với r1 = 1 2900 = 0.3448.10-3 m2.K/W – nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]) r2 = 0,387.10-3 m2.K/W – nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2]). δ = 2 mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T) Δtv = tv1 - tv2 (3) ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường Truyền nhiệt ổn định qv = q1 = q2  Δtv = qv. ∑rv = 32025,08. 0,8545.10-3 = 27,36630C  Nhiệt tải riêng phía dung dịch q2 = 𝛼2 . Δt2 = 8637,38. 16,898 = 145954, 447 W/m2 4. Nhiệt tải riêng trung bình Qtb = 𝑞1+𝑞2 2 = 32025,08+145954,447 2 = 88989,76 W/m2 5. Tiến trình các tải nhiệt riêng Dùng phương pháp số, ta lần lượt tính lặp qua các bước sau: - Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1 từ đó tính tm theo (1) và Δt1 = tD – tv1 . - Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 theo (2), từ đó tính q1 - Đặt qv = q1 , từ đó tính Δtv theo (3). - Tính tv2 = tv1 – Δtv , từ đó tính Δt2 = tv2 – tsdd (ptb) và hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α2 theo (4). - Tính q2 . - Tính qtb = 𝑞1 + 𝑞2 2 - Tính sai số tương đối của q1 so với qtb . Vòng lặp kết thúc khi sai số này nhỏ hơn 5 %. 𝛿q =/ 𝑞1−𝑞𝑡𝑏 𝑞1 /=/ 32025,08 − 88989,76 32025,08 / = 1,78 𝛿q < 5% nên sai số được chấp nhận ( các thông số đã được chọn phù hợp ) 6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt K= 1 1 1 + ∑ 𝑟𝑣+ 𝛼1 𝛼2 = 1 1 1 +0,8545.10−3 + 10330,67 8637,38 Trang 15 = 937,14 W/(m2.K) 7. Diện tích bề mặt truyền nhiệt F= 𝑄𝐷 𝐾.∆𝑡ℎ𝑖 = 214480,03 937,14.46,364 = 4,9363 m2 Chọn F = 4, 9363 m2 C. Tính kích thước thiết bị cô đặc I. Tính kích thước buồng bốc 1. Đường kính buồng bốc Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc Vh = 𝑊 𝜌ℎ = 450 3600.0,1957 = 0,6387 m3/s Trong đó W – suất lượng hơi thứ Kg/h 𝜌ℎ = 0,1957 Kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc Po = 0,3139at tra bảng I.251, trang 314 [1] Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc Wh = 𝑉ℎ 𝜋.𝐷2 𝑏 4 = 4.0,6387 𝜋.𝐷𝑏2 = 0,813 𝐷𝑏2 (m/s) Trong đó Db đường kính buồng bốc ; m Tốc độ lắng được tính theo công thức (5. 14), trang 276 [5] Wo = √ 4.𝑔.(𝜌′ − 𝜌′′ ).𝑑 3.𝜀.𝜌′′ =√ 4.9,81.(977,962−0,1957 ).0,0003 3. 8,079. 𝐷𝑏1,2 .0,1957 = 1,558 𝐷𝑏1,2 ; m/s Trong đó 𝜌′ = 977,962 Kg/m3 khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm(Po) tra bảng I.249, trang 311 [1] 𝜌ℎ = 0,1957 Kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc Po = 0,6275at D: đường kính giọt lỏng ; m. chọn d = 0,0003m trang 292 [5] 𝜀 hệ số trở lực tính theo Re Trang 16 Re = 𝑊ℎ .𝑑.𝜌′′ 𝜇ℎ = 0,813. 0,0003. 0,1957 𝐷𝑏2 . 0,000012 = 3,978 𝐷𝑏2 Với 𝜇ℎ = 0,012.10-3 Pa.s độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,3139at. Tra hình VI, trang 57 [8] Nếu 0,2 < Re < 500 thì 𝜀 =  𝜀 = 18,5. ( 𝐷𝑏2 3,978 18,5 𝑅𝑒 0,6 )0,6 = 8,079. 𝐷𝑏1,2 Áp dụng điều kiện Wh < ( 0,7 ÷ 0,8 ) Wo theo [5] trang 157 0,813  𝐷𝑏2  < 0,7. 1,558 𝐷𝑏0,6 Db > 0,8104m Chọn Db = 0,8m = 800mm theo tiêu chuẩn trang 157 [5] Kiểm tra lại Re Re = 3,978 0,82 = 6,2156 ( thỏa 0,2 < Re < 500 ) 2. Chiều cao buồng bốc Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]: Utt = f. Utt (1at); m3/(m3.h) Trong đó: f – hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển Utt (1at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at. Chọn Utt (1at) = 1650 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2]).  Utt = 1,1.1650 = 1815 m3/(m3.h) Thể tích của không gian hơi được tính theo công thức VI.32 trang 71 [2] Vb = 𝑊 𝜌ℎ. 𝑈𝑡𝑡 = 450 0,1957.1815 = 1,267 m3 Chiều cao buồng bốc: Hb = 𝑉𝑏 𝜋. 𝐷2 𝑏 4 = 4. 1,267 𝜋. 0,82 = 2,520m Chọn chiều cao buồng bốc Hb = 2,5m II.Tính kích thước buồng đốt 1. Số ống truyền nhiệt Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]: Trang 17 n= 𝐹 𝜋.𝑑.𝑙 Trong đó F = 4,9363 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt d – đường kính của ống truyền nhiệt Vì α 1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm. Số ống truyền nhiệt là n= 4,9363 𝜋. 1,5. 0,025 = 41,9 Theo tiêu chuẩn bảng V.11, trang 48 [2]. Chọn số ống n = 61, bố trí theo hình lục giác đều. - Số lục giác đều là 4 - Số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác là 9 - Số ống trên 1 cạnh của hình lục giác lớn nhất là 5 2. Đường kính ống tuần hoàn Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]: Dth = √ 4.𝑓𝑡 𝜋 ;m Chọn ft = 0,3FD Với FD = 2. 𝑛 𝜋. 𝑑𝑛  ft = 0,3.  Dth = √ 4 2. 𝑛 𝜋. 𝑑𝑛 4 = 0,3. 4. 0,0121 𝜋 𝜋. 0,0292 .61 4 = 0,012m2 = 0,1241m Chọn Dtth = 159mm theo tiêu chuẩn trang 155, [5] Chọn Dnth = 169mm Chọn chiều dài ống tuần hoàn là 1m 3. Đường kính buồng đốt ( Dt ) Đường kính trong của buống đốt được tính theo công thức V.140, trang 49 [2] Dt = t. (b – 1) + 4d ; m Trong đó t – bước ống; m. chọn bước ống t = 1,2 – 1,5dn trang 49 [2] dn = 0,029 m – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt Trang 18 b – số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh đều  Dt = 1,2.0,029.( 9 – 1) + 4.0,029 = 0,3944m  Chọn Dt = 400mm theo tiêu chuẩn trang 156, [5] 4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt Số hình lục giác Số ống trên đường xuyên tâm Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân Số ống trong các hình viên phân Dãy 1 Dãy 1 Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân Tổng số ống của thiết bị 4 9 61 0 0 0 61 Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là: F’ = ( n.dt + Dth ). 𝜋. H = (61. 0,025 + 0,159). 𝜋.1,5 = 7,94 m2 > 4,94 m2 (thỏa) III. Tính kích thước các ống dẫn Đường kính của các ống được tính một cách tổng quát theo công thức (VI.41), trang 74, [2]: d=√ 4.𝐺 𝜋.𝑣.𝜌 trong đó: G – lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s v – tốc độ của lưu chất; m/s ρ – khối lượng riêng của lưu chất; kg/m3 1. ống nhập liệu Gđ = 600kg/h Nhập liệu dung dịch nhớt (Dung dịch NaOH 10% ở 92,4360C). Chọn v = 1 m/s (trang 74, [2]). 𝜌 = 1068,917kg/m3 tra bảng I.2 trang 9 [1] 4.𝐺 4.600  𝑑= √ =√ = 0,0141 m 𝜋.𝑣.𝜌 3600.𝜋.1.1068,917  Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435 Đường kính trong 20mm Trang 19 Đường kính ngoài 25mm 2. ống tháo liệu Gc = 150 kg/h tháo liệu dung dịch nhớt (dung dịch NaOH 40% ở 98,6360C ). Chọn v = 1 m/s (trang 74,[2] ) 𝜌 = 1375,955 kg/h tra bảng I.2 trang 9 [1]  4.𝐺 4.150 𝑑= √ =√ = 0,00621m 𝜋.𝑣.𝜌 3600.𝜋.1.1375,955  Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435 Đường kính trong 20mm Đường kính ngoài 25mm 3. ống dẫn hơi đốt D = 0,111 kg/s Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 0,4718 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).  4.𝐺 4.0,111 D= √ = √ = 0,1224 m 𝜋.𝑣.𝜌 𝜋.20.0,4718  Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435 Đường kính trong 150mm Đường kính ngoài 159mm 4. ống dẫn hơi thứ w = 450kg/h Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 0,3139at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 0,1957 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 314, [1]).  4.𝐺 4.450 d= √ = √ = 0,2017m 𝜋.𝑣.𝜌 3600.𝜋.20.0,1957  Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435 Đường kính trong 200mm Đường kính ngoài 219mm 5. ống dẫn nước ngưng 1 Chọn Gn = D 3 Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 4 at. Chọn v = 0,75m/s (trang 74, [2]). Trang 20