đồ án quá trình thiết bị

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
NỘI DUNG ĐỀ BÀI:
Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
cô đặc dung dịch KNO
3
với năng suất 20000 kg/h.
Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 12%
Nồng độ cuối của dung dịch: 40%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,35 at
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
∗∗∗∗∗
…………………………………………




Hà Nội, Ngày … Tháng …Năm 2013
Người nhận xét
1
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
MỤC LỤC
PHẦN I 6
GIỚI THIỆU CHUNG 6
1. Phân loại thiết bị cô đặc: 7
2. Cô đặc nhiều nồi: 8
3.Giới thiệu về dung dịch KNO3: 9
4. Sơ đồ dây chuyền sản xuất : 9
4.1. Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức 9

10
4.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống 10
PHẦN II 11
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 12
1. Số liệu ban đầu : 12
2.Tính cân bằng vật liệu : 12
2.1. Xác định lượng nước bốc hơi ( lượng hơi thứ ) toàn bộ hệ thống và trong từng nồi:
12
2.1.1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ hệ thống: 12
2.1.2.Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi : 12
2.2. Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi 12
3.Tính cân bằng nhiệt lượng : 13
3.1.Xác định áp suất và nhiệt độ trong mỗi nồi: 13
3.1.1 Xác định áp suất và nhiệt độ hơi đốt trong mỗi nồi. 13
3.1.2 Xác định nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi 14
3.2.Xác định tổn thất nhiệt độ: 14
3.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ : 14
3.2.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh: 16
3.2.3 Tổn thất do đường ống 17
3.3.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ hệ thống và từng nồi 17
3.3.1 Hệ số nhiệt độ hữư ích trong hệ thống được xác định : 17
3.3.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi 18
3.3.3 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi 18
3.4.Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng: 18
3.4.1 Nhiệt lượng vào gồm có: 19
3.4.2 Nhiệt lượng mang ra: 19
3.4.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt: 19
4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi: 23
4.1.Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 23
4.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 24

4.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi W/m2 độ: 25
4.3.1 Khối lượng riêng : 27
4.3.2 Nhiệt dung riêng : 27
4.3.3 Hệ số dẫn nhiệt: 27
4.3.4 Độ nhớt : 29
4.4.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : 30
4.5.So sánh q2i và q1i : 30
5. Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi 31
6.Hiệu số nhiệt độ hữu ích 32
6.1. Xác định tỷ số sau : 32
6.2.Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi : 32
2
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
8. Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 33
PHẦN III 34
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 34
1. Buồng đốt 34
1.1 .Xác định số ống trong buồng đốt: 35
1.2. Đường kính của buồng đốt : 36
1.3.Chiều dày buồng đốt : 36
1.4.Chiều dày lưới đỡ ống: 39
1.5.Chiều dày đáy buồng đốt: 41
1.6.Tra bích để lắp đáy vào thân buồng đốt: 44
2.Buồng bốc 44
2.1.Thể tích buồng bốc hơi: 44
2.2.Chiều cao buồng bốc: 45
2.3.Chiều dày buồng bốc: 46
2.4.Chọn chiều dày nắp buồng bốc ( như đáy buồng đốt ): 47
2.5.Tra bích để lắp thân buồng bốc: 49
3. Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3 50

4.Tính toán một số chi tiết khác 51
4.1.Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào, ra thiết bị: 51
4.1.1.Ống dẫn hơi đốt vào: 51
4.1.2.Ống dẫn dung dịch vào: 52
4.1.3.Ống dẫn hơi thứ ra: 52
4.1.4.Ống dẫn dung dịch ra: 52
4.1.5.Ống tháo nước ngưng: 53
4.1.6.Ống tuần hoàn: 53
4.2.Tính và chọn tai treo giá đỡ: 57
4.2.1.Tính Gnk : 57
4.2.2.Tính Gnd. : 61
4.3.Chọn kính quan sát: 63
4.4.Tính bề dày lớp cách nhiệt: 63
PHẦN IV 64
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 64
1.Gia nhiệt hỗn hợp đầu: 64
1.1.Nhiệt lượng trao đổi (Q) : 65
1.2.Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 65
1.3.Bề mặt truyền nhiệt: 70
1.4.Số ống truyền nhiệt: 70
1.5.Đường kính trong của thiết bị đun nóng: 71
1.6.Tính vận tốc và chia ngăn: 71
2.Chiều cao thùng cao vị: 72
3.Bơm 81
3.1.Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: 81
3.2.Năng suất trên trục bơm: 84
3.3.Công suất động cơ điện: 85
4.Thiết bị ngưng tụ baromet: 85
4.1.Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: 87
4.2.Đường kính thiết bị 87

4.3.Kính thước tấm ngăn: 88
4.4.Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 89
4.5.Các kích thước của ống baromet: 90
3
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
4.6.Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị: 91
4.7.Tính toán bơm chân không: 92
PHẦN V 94
KẾT LUẬN 95
Tài liệu tham khảo: 95
Chuyển đổi đơn vị thường gặp: 96
LỜI MỞ ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một
thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, em được nhận đồ
án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” với đề bài là: “thiết kế
hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi tuần hoàn cưỡng bức ”.Việc thực hiện đồ án là
điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực
tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá
trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến
thức của một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế
một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong
quá trình công nghệ. Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết
cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy
định trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo
văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Đồ án của em trình bày về thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức. Thiết bị cô
đặc tuần hoàn cưỡng bức có những ưu điểm như:
- Hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần và có
thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ hữu ích nhỏ (3-5ºC) vì
cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ hữu ích mà

phụ thuộc vào năng suất của bơm.
- Cô đặc tuần hoàn cưỡng bức cũng tránh được hiện tượng bám cặn trên bề
mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà
tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện.
Tuy nhiên khuyết điểm của thiết bị này là tốn năng lượng để bơm, thường ứng
dụng khi cường độ bay hơi lớn.
Trong đồ án môn học này của em được chia thành 5 nội dung chính:
Phần 1: Giới thiệu chung
4
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
Phần 2: Tính toán thiết bị chính
Phần 3: Tính toán cơ khí
Phần 4: Tính toán thiết bị phụ
Phần 5: Kết luận
Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh
nghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong
quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ
dẫn thêm của thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
5
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
PHẦN I
GIỚI THIỆU CHUNG
Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công
nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa
chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm
bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi,
phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc.
Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất,
nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung

môi ở dạng nguyên chất. Dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức
mà vẫn đảm bảo được yêu cầu, thiết bị dùng để cô đặc gồm nhiều loại như:
thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết
bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng
đốt ngoài, thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn
trung tâm,…
Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc
phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như
mong muốn, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
Quá trình cô đặc của dung dịch mà giữa các cấu tử có chênh lệch nhiệt độ sôi
rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi. Tuy
nhiên, tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay không bay hơi trong quá
trình đó) mà ta có thể tách một phần dung môi (hay cấu tử khó bay hơi) bằng
phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh.
- Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi
chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi dung dịch sôi. Để cô đặc các
dung dịch không chịu được nhiệt độ (như dung dịch đường) đòi hỏi cô đặc ở
nhiệt độ thấp, thường là chân không. Đó là phương pháp cô đặc chân không.
- Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một
cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường là kết tinh
6
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là
kết tinh dung môi, và điều kiện bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình
kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy
lạnh.
1. Phân loại thiết bị cô đặc:
Các thiết bị cô đặc rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên ta có thể phân loại
theo 1 số đặc điểm sau:
- Theo nguyên lý làm việc: Có 2 loại thiết bị cô đặc làm việc theo chu kỳ và

làm việc liên tục.
- Theo áp suất làm việc bên trong thiết bị: Chia ra 3 loại: Thiết bị làm việc ở
P
dư
, P
ck
…
- Theo nguồn cấp nhiệt:
+ Nguồn của phản ứng cháy nhiên liệu.
+ Nguồn điện.
+ Nguồn hơi nước: Nay là nguồn cấp nhiệt thường gặp nhất.
+ Nguồn nước nóng, dầu nóng hoặc hỗn hợp điphenyl cho thiết bị chu kỳ
có công suất nhỏ.
Cấu trúc của một thiết bị cô đặc thường có 3 bộ phận chính sau:
- Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đốt nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận nhiệt
là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các ống,
truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống.
- Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chứa cả dung dịch nên
phải có không gian lớn để tách các dung dịch rơi trở lại bộ phận nhiệt.
- Bộ phận phân ly: Để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi.
Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau:
- Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ
nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại.
- Có hệ số truyền nhiệt lớn.
- Tách ly hơi thứ tốt.
7
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
- Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
2. Cô đặc nhiều nồi:
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý

nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt.
Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:
Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào
đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được đưa vào đun nồi thứ ba,…hơi thứ ở
nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang
nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt
độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa
hơi đốt và hơi thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải
giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi
đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí
quyển (chân không).
Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi.
Lượng hơi đốt dùng để bốc hơi 1 kg hơi thứ trong hệ thống cô đặc nhiều nồi sẽ
tăng. Dưới đây là số liệu về lượng tiêu hao hơi đốt theo 1 kg hơi thứ:
Trong hệ thống cô đặc 1 nồi: 1,1 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 2 nồi: 0,57 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 3 nồi: 0,40 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 4 nồi: 0,30 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 5 nồi: 0,27 kg/ kg
Qua số liệu này cho thấy, lượng hơi đốt giảm đi theo số nồi tăng nhưng
không giảm theo tỉ lệ bậc 1 mà từ nồi 1 lên nồi 2 giảm 50%, còn từ nồi 4 lên
nồi 5 giảm đi 10%, thực tế từ nồi 10 lên nồi 11 giảm đi không quá 1% nghĩa là
xét về mặt hơi đốt hệ thống cô đặc nhiều nồi không thể quá 10 nồi.
Mặt khác số nồi tăng thì hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh do đó bề
mặt đun nóng của các nồi sẽ tăng.
Vì vây, cần lựa chọn số nồi thích hợp cho hệ thống cô đặc nhiều nồi.
8
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
3.Giới thiệu về dung dịch KNO

3
:
Kali nitrat hay còn gọi là diêm tiêu kali là chất lỏng ở dạng những tinh thể
lập phương, nóng chảy ở 334
0
C. Không hút ẩm, tan trong nước và độ tan tăng
nhanh theo nhiệt độ nên rất dễ kết tinh lại. Nó khó tan trong rượu và ete ở 400
0
C, KNO
3
phân huỷ thành kali nitrit và oxi:
KNO
3
= KNO
2
+ ½O
2
Do đó ở nhiệt độ nóng chảy KNO
3
là chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoá của
Mn, Cr lên số oxi hoá cao hơn.
Hỗn hợp của KNO
3
và các hợp chất hữu cơ sẽ cháy dễ dàng và mãnh liệt.
Hỗn hợp gồm 75% KNO
3
, 10% S, 15% than là thuốc súng đen.
Diêm tiêu kali còn được dùng làm phân bón, chất bảo quản thịt và dùng
trong công nghiệp thuỷ tinh. Ở nước ta nhân dân thường khai thác diêm tiêu từ
phân dơi hay đúng hơn từ đất ở trong các hang có dơi ở. Phân dơi trong các

hang đó lâu ngày bị phân huỷ giải phóng khí NH
3
. Dưới tác dụng của một số vi
khuẩn, khí NH
3
bị oxi hoá thành nitrơ và axit nitric. Axit này tác dụng lên đá
vôi tạo thành Ca(NO
3
)
2
, muối này một phần bám vào thành hang, một phần tan
chảy ngấm vào đất trong hang. Người ta lấy đất hang này trộn kĩ với tro củi rồi
dùng nước sôi dội nhiều lần qua hỗn hợp đó để tách ra KNO
3
Ca(NO
3
)
2
+ K
2
CO
3
→ 2KNO
3
+ CaCO
3
Phương pháp này cho phép chúng ta sản xuất được một lượng diêm tiêu tuy
ít ỏi nhưng đã thoã mãn kịp thời yêu cầu của quốc phòng trong cuộc kháng
chiến chống Pháp trước đây.
4. Sơ đồ dây chuyền sản xuất :

4.1. Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức.
1. Thùng chứa dung dịch đầu 7. Thiết bị cô đặc
2. Bơm 8. Thùng chứa nước
3. Thùng cao vị 9. Thùng chứa sản phẩm
4. Lưu lượng kế 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet
5. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 11.Thiết bị tách bọt
6. Thiết bị cô đặc 12.Bơm chân không
9
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
13. Ống tuần hoàn
1 2
3
4
5 2
12
9
8
10
11
6 7

4.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống
Dung dịch đầu KNO
3
chứa trong thùng (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao
vị (3) từ thùng chứa thùng cao vị được thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức
chất lỏng trong thùng, sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi
nhiệt (5) (thiết bị ống chùm). Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng
sơ bộ đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa cung cấp từ ngoài vào, rồi đi vào
nồi (6). Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung nóng bằng thiết bị đun nóng

kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa
vào buồng đốt để đun nóng dung dịch. Một phần khí không ngưng được đưa
qua cửa tháo khí không ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng
cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là
hơi thứ. Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn
sang buồng đốt của thiết bị (7). Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ
(7) do đó sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn
10
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
áp suất nồi trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch
đi vào nồi thứ (7) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được
làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình
tự bốc hơi. Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm
(9) qua thiết bị bơm (2). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị
ngưng tụ Baromet (10). Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi
xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào
thùng chứa còn khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt (11) hơi sẽ được bơm
chân không (12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước
ngưng.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều ( hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ
nồi nọ sang nồi kia ) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất. Loại
này có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh
lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt độ sôi của nồi trước sang nồi sau, do đó, dung
dịch đi vào mỗi nồi ( trừ nồi 1 ) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là
dung dịch đi vào sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt sẽ bốc hơi thêm một lượng
hơi nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch, do đó
tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt.Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dung dịch trước
khi vào nồi nấu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.

PHẦN II
11
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1. Số liệu ban đầu :
Thiết kế hệ thống cô đặc xuôi chiều 2 nồi thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng
bức cô đặc dung dịch KNO
3
với năng suất 20000 kg/h.
Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 12%
Nồng độ cuối của dung dịch: 40%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,35 at
2.Tính cân bằng vật liệu :
2.1. Xác định lượng nước bốc hơi ( lượng hơi thứ ) toàn bộ hệ thống và
trong từng nồi:
2.1.1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ hệ thống:
Áp dụng công thức (VI.1/ST 2 – T 55)
W = G
d
– G
c
= G
d
(1 -
xc
xd
)

⇒
W

= 20000 (1 -
40
12
) = 14000 (kg/h)
2.1.2.Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi :
W
1
: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1
W
2
: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2
Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ ở hai nồi như sau:

1
2
1
=
W
W
Mà ta có: W
1
+ W
2
= 14000
7000
21
==⇒

WW
(kg/h)
2.2. Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi
x
1
: nồng độ cuối của dung dich tại nồi 1
12
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
x
2
: nồng độ cuối của dung dich tại nồi 2
Áp dụng công thức :
W
1
= Gd ( 1-
x
x
d
1
)
⇒
x
1
=
WG
xG
d
dd
1
−

x
1
=
%462,18
700020000
12.20000
=
−
x
2
= 40%
3.Tính cân bằng nhiệt lượng :
3.1.Xác định áp suất và nhiệt độ trong mỗi nồi:
3.1.1 Xác định áp suất và nhiệt độ hơi đốt trong mỗi nồi.
- Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:

)(65,335,04 atPPP
nthd
=−=−=∆
- Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:

21
2
1
35,2
1
35,2
PP
P

P
∆=∆⇒=
∆
∆
mà:
65,3
21
=∆+∆
PP


)(5604,20869,165,3
)(0869,1
35.3
65,3
1
2
atP
atP
=−=∆
==∆⇒
* Vậy áp suất hơi đốt ở từng nồi là:
)(4396,15604,24
4
2
1
atP
atP
=−=
=

* Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi:
Tra bảng (I.251/ST1-T316):
13
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
CtatP
CtatP
CtatP
ntnt
°=⇒=
°=⇒=
°=⇒=
05,7235,0
492,1094396,1
9,1424
22
11
3.1.2 Xác định nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi.
NX: khi hơi thứ đi từ nồi 1 sang nồi 2 ,và hơi thứ từ nồi 2 đi sang thiết bị
ngưng tụ thì sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ là
5,11
,,
÷=∆
,và khi đó nó sẽ trở thành
hơi đốt cho nồi 2: chọn
C°=∆ 1
,,
Gọi nhiệt độ và áp suất của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 lần lượt là:
,
2
,

1
,
2
,
1
,,, PPtt
Ta có:
Ctt
Ctt
nt
°=+=+=
°=+=+=
05,73105,721
492,1101492,1091
,
2
2
,
1
Tra bảng (I.250/ST1-T312), ứng với mỗi nhiệt độ hơi thứ của mỗi nồi sẽ cho áp
suất hơi thứ tương ứng:
atP
atP
3636,0
4869,1
,
2
,
1
=

=
Kết quả tính được cho ta bảng dưới đây:
Bảng 1:
Loại
Nồi I Nồi 2 Hơi ngưng tụ
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Hơi
đốt
P
1
= 4 t
1
=142,9 P
2
=1,4396 t
2
=109,492
P
ng

=0.35 t
ng
=72,05
Hơi
thứ
P’
1
=1,4869 t’
1
=110,492 P’
2
=0,3636 t’
2
=73,05
3.2.Xác định tổn thất nhiệt độ:
3.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ :
C°∆
,

Áp dụng công thức:
14
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
r
T
f
Cf
o
2
,,
.2,16

.
=
°∆=∆
(CT.VI.10/ST2 – T59)
∆’
o
: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở áp suất thường
T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho(
K°
)
r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg)
* Tra bảng (VI.2/ST2 – T63)
Cx
Cx
o
o
°=∆⇒=
°=∆⇒=
52,4%40
805,1%462,18
,
22
,
11
* Xác định nhiệt độ T
i
KT
KT
°=+=

°=+=
05,34627305,73
492,383273492,110
2
1
* Xác định r
i
:
Tra bảng (I.250/ST1 – T312)
kgJr
kgJr
/10.68,2325
/10.7208,2232
3
2
3
1
=
=
Vậy:
∑
°=+=∆+∆=∆⇒
°==∆
°==∆
C
C
C
i
6961,577,39261,1
77,3

2325680
)05,346(
52,4.2,16
9261,1
8,2232720
)492,383(
.805,1.2,16
,
2
,
1
,
2
,
2
2
,
1
15
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
3.2.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh:
,,
∆
- Áp dụng công thức VI.13
at
g
h
hPP
tt
dds

otb
otb
4
2
1
,,
10.81,9
.
).
2
(
ρ
++=
−=∆
o
P
: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at)
1
h
:chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m)
2
h
: chiều cao của ống truyền nhiệt (m)
dds
ρ
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
). Lấy gần đúng bằng
2
1

khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC
g
: gia tốc trọng trường (m/s
2
)

- Khối lượng riêng của dung dịch KNO
3
ở 20ºC ứng với mỗi nồng độ được xác
định theo bảng (I.46/ST1 – T42)
)/(21,1281%40
)/(579,1121%462,18
3
2
3
1
mkgx
mkgx
dd
dd
=⇒=
=⇒=
ρ
ρ
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là
)/(605,640
2
21,1281
)/(7895,560

2
579,1121
3
2
3
1
mkg
mkg
dds
dds
==
==
ρ
ρ
- chọn h
1
= 0,5 m và h
2
= 2,0 m ( đề ra )
)(4597,0
10.81,9
81,9.605,640
).
2
2
5,0(3636,0
)(571,1
10.81,9
81,9.7895,560
).

2
2
5,0(4869,1
4
2
4
1
atP
atP
tb
tb
=++=
=++=
16
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
Tra bảng (I.251/ST1- T314)
Ct
Ct
tb
tb
°=
°=
6835,78
12,112
2
1
Vậy:
Ctt
Ctt
tb

tb
°=−=−=∆
°=−=−=∆
6335,505,736835,78
628,1492,11012,112
022
,,
2
011
,,
1
∑
°=+=∆+∆=∆⇒
C2615,76335,5628,1
,,
2
,,
1
,,
3.2.3 Tổn thất do đường ống
)(
,,,
∆
- Như đã nói ở trên ta chọn tổn thất nhiệt độ do đường ống là :1
o
C
Vậy:
∑
°=+=∆+∆=∆
C211

,,,
2
,,,
1
,,,
⇒
tổng tổn thất nhiệt độ là:
C
°=++=
∆+∆+∆=∆
∑ ∑ ∑ ∑
9576,1422615,76961,5
,,,,,,
3.3.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ hệ thống và từng nồi
3.3.1 Hệ số nhiệt độ hữư ích trong hệ thống được xác định :
∑
∆−∆=∆
chhi
tt
(CT VI.16/ST2 –T67)
=∆
ch
t
Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ
ngưng ở thiết bị ngưng tụ.
Cttt
nthdch
°=−=−=∆
85,7005,729,142
(CT VI.16/ST2 – T67)

Vậy :
Ct
hi
°=−=∆
8924,559576,1485,70
17
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
3.3.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi
,,
2
,
2
,
22
,,
1
,
1
,
11
∆+∆+=
∆+∆+=
tt
tt
s
s
:,
21 ss
tt
nhiệt độ hơi thứ của từng nồi

Ct
Ct
s
s
°=++=
°=++=
4535,826335,577,305,73
0461,114628,19261,1492,110
2
1
3.3.3 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi
CttT
CttT
s
s
°=−=−=∆
°=−=−=∆
0385,274535,82492,109
8539,280461,1149,142
222
111
3.4.Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

G
d
C
d
t
so
W

1
i
1
W
1
.i
2
W
2
i
3
W


Qm
1
Qm
2
D.i W
1
Cn
1
2
θ
D
1
θ
Cn
1
(G

d
-W
1
)C
1
t
s1
(G
d
-W
1
-W
2
)C
2.
t
s2
D:Lượng hơi đốt vào kg/h
21
,, iii
:hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ J/kg
21
,
θθ
: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2
C
d
, C
1
,Cn

1
,Cn
2,
C
2
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ,cuối và nước
ngưng.
Qm
1
,Qm
2
: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2
18
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
G
d
: lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị
W
1
, W
2
: lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2
3.4.1 Nhiệt lượng vào gồm có:
- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i
Nhiệt do dung dịch mang vào : G
- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W
1
.i
2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (G

d
– W
1
)C
1
t
s1
3.4.2 Nhiệt lượng mang ra:
- Nồi 1:
- Hơi thứ mang ra : W
1
i
1
- Nước ngưng :D.
1
θ
.Cn
1
- Dung dịch mang ra : (G
d
– W
1
)C
1
t
s1
- Nhiệt mất mát : Qm
1
=0,05D(i - C
1

1
θ
)
- Nồi 2 :
- Hơi thứ : W
2
i
3
- Nước ngưng : W
1
.
2
θ
.Cn
2
- Do dung dịch mang ra : (G
d
– W
1
– W
2
)C
2
.t
s2
- Nhiệt mất mát: Qm
2
= 0,05W
1
(i

2
– Cn
2
)
2
θ
3.4.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
19
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
- Nồi 1 :
)(05,0 )(
)(
11111111101
1111111101
θθ
θ
CniDCnDtCWGiWtCGiD
QmCnDtCWGiWtCGiD
sdsdd
sdsdd
−++−+=+
++−+=+
(1)
- Nồi 2 :
222122122213211121
222122213211121
)(05,0)()(
)(.)(W

θθ
θ
CniWCnWtCWWGiWtCWGiW
QmCnWtCWWGiWtCWGi
sdsd
sdsd
−++−−+=−+
++−−+=−+
(2)
mà ta lại có:
WW
=+
21
W
(3)
Kết hợp pt (1),(2),(3) ta được
113222
1122223
1
)(95,0
)()(
s
ssds
tCiCni
tCtCGtCiW
W
−+−
−+−
=
θ

(4)
)(95,0
)()(
11
0111111
θ
Cni
tCtCGtCiW
D
sdsds
−
−+−
=
(5)
- Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
C
C
°=
°=
492,109
9,142
2
1
θ
θ
-Nhiệt độ sôi của dung dịch:
Tra bảng I204/ Tr 236/ ST1 x
0
= 12% ↔: t
s0

=100,8863ºC
Đã tính được : t
s1
= 113,0787
o
C
t
s2
= 80,7507
o
C
- Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra theo bảng
(I.249/ST1 – T310)
θ
1
= 142,9
o
C ⇒ Cn
1
= 4294,25 (J/kg độ)
θ
2
= 109,492
o
C ⇒ Cn
2
= 4232,3396 (J/kg độ)
20
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
- Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1 ,nồi 2, ra khỏi nồi 2 :

+ Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x
d
= 12%
Áp dụng công thức I.41 /ST1 – T152 ta có:
C
d
= 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,12) = 3683,68 (J/kg độ)
+ Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x
1
= 18,462 %
Cũng áp dụng công thức trên ta được:
C
1
= 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,18462) =3398,5 (J/kg độ)
+ Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x
c
= 40 %
Áp dụng công thức I.44/ST1 – T152 ta có:
C
2
= C
ht
.x + 4186 (1- x)
Với C
hr
là nhiệt dung riêng của KNO
3
được xác định theo công thức I.41/ST1 –
T152:
M.C

ht
= n
1
.c
1
+ n
2
.c
2
+ n
3
.c
3
trong đó : M : KLPT của KNO
3
: M
1
= 101
n
1
: Số nguyên tử K : n
1
= 1
n
2
: Số nguyên tử N : n
2
= 1
n
3

: Số nguyên tử O : n
3
= 3
c
1
, c
2
c
3
: Nhiệt dung riêng của nguyên tử K, N, O .
Tra từ bảng I.141 /ST1 – T152
c
1
= 26000 J/kg.nguyên tử. độ
c
2
= 26000 J/kg.nguyên tử. độ
c
3
= 16800 J/kg.nguyên tử. độ
21
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
Vậy :
8614,1013
101
3.168002600026000
=
++
=
ht

C
(J/kg độ)
Vậy: C
2
= 1013,8614.0,4 + 4186.(1- 0,4) = 2917,1446 (J/kg độ)
- Xác định hàm nhiệt hới đốt và hơi thứ:
Tra bảng ( I.250/ST1 – 312 )
kgJiCt
kgJiCt
kgJiCt
kgJiCt
/263221705,73
/2,2696787492,110
/6,2695085492,109
/27440609,142
3
,
2
1
,
1
22
1
=⇒°=
=⇒°=
=⇒°=
=⇒°=
Thay các kết quả ta đã tính toán được vào pt (1) và pt (2) ta được kết quả sau :
)/(6302,8148
)9,142.25,42942744060(95,0

6953,100.68,36830461,114.5,3398(20000)0461,114.5,33982,2696787(5754,6997
)/(4246,70025754,699714000)/(5754,6997
0461,114.5,33982632217)942,109.3396,42326,2695085(95,0
)0461,114.5,33984535,82.29171446(20000)4535,82.1446,29172632217(14000
121
1
hkgD
D
hkgWWWhkgW
W
=
−
−+−
=
=−=−=⇒=
−+−
−+−
=
Ta có bảng số liệu như sau
Bảng 3
Nồi
C
J/kg độ
Cn
J/kg độ
θ, °C
W , kg/h Sai số
ε
CBVC CBNL
1 3398,5 4294,25 142,9 7000 6997,5754 0,035

2 2917,1446 4232,3396 109,492 7000 7002,4246 0,035
Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W
1
: W
2
= 1: 1,001
Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân
bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn.
22
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi:
4.1.Tính hệ số cấp nhiệt
α
khi ngưng tụ hơi.


ii 11
;
α
Τ

i
t
1
∆

i
T
T
2

i
t
2
∆
i
T
T
1

ii 22
;
α
Τ
- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và
nồi 2 là :
1211
,
∆∆
- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 2m, hơi ngưng
bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấp nhiệt được tính
theo công thức ( V.101/ST2 – T28 ).
25,0
1
)
.
.(.04,2
Ht
r
A

i
i
∆
=
α
W/m
2
. độ
Trong đó:
i1
α
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i W/m
2
. độ
i1
∆
: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi
ngưng của nồi I (
o
C ).
Giả thiết:
C
C
°=∆
°=∆
51,2
92,2
12
11
r

i
: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt:
(Tra bảng I.250/ST1 – T321)
ta có:
t
1
= 142,9
o
C r
1
= 2315,5 .10
3
J/kg
t
2
= 109,492
o
C r
2
= 2235,4224.10
3
J/kg
23
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
Với t
m
được tính:
t
mi

= 0,5(t
Ti
+t
i
)
o
C ( * )
t
i
: nhiệt độ hơi đốt
t
Ti
: nhiệt độ bề mặt tường
mà ta lại có:
iiTi
Tiii
ttt
ttt
1
1
∆−=⇒
−=∆
( * * )
thay (**) vào (*) ta được :
iimi
ttt
1
5,0
∆−=
Với: t

1
= 142,9
o
C t
m1
= 142,9 – 0,5.2,92 = 141,44
o
C
t
2
= 109,492
o
C t
m2
= 109,492 – 0,5.2,51 = 108,237
o
C
Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào t
m
: (ST2 – T 29 )
với: t
1
= 141,44
o
C A
1
= 194,216
t
2
= 108,237

o
C A
2
= 182,7067
Vậy:
)/(2778,9628
2.51,2
10.4224,2235
.7022,182.04,2
)/(8688,9742
2.92,2
10.5,2135
.216,194.04,2
2
25,0
3
12
2
25,0
3
11
đômW
đômW
=









=
=








=
α
α
4.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
( CT 4.14/QTTB1 – T1 )
iii
tq
111
.
∆=
α
W/m
2
24
Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
q
11
= 9742,8688.2,92 = 28449,1769 (W/m

2
)
q
12
= 9821,9231.2,51 = 24166,9772 (W/m
2
)
Bảng 4:
Nồi
Ct
i
°∆
,
1
Ct
mi
°∆
,
A
domW
i
2
1
/,
α
2
1
/, mWq
i
1 2,92 141,44 194,216 9742,8688 28449,1769

2 2,51 108,237 182,7067 9628,2778 24166,9772
4.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi
i2
α
W/m
2
độ:
Ta xác định hệ số này theo công thức:
(CT /QTTB1 – T332)
iiiI
tP
ψα
8,45
33,2
2
5.0
2
∆=
(W/m
2
độ )
P
i
: áp suất hơi thứ at
Xem bảng 1:
atP 4869,1
,
1
=
atP 3636,0

,
2
=

i
t
2
∆
: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi.
TiiiddiiTi
ttTttt
∆−∆−∆=−=∆
122
- Hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt
∑
=∆
rqt
iTi
.
1
,
o
C
- Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt
25