đề tài thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch kali nitrate hai nồi ngược chiều

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (489.79 KB, 59 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA HÓA - NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THẾT BỊĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCHKALI NITRATE HAI NỒI NGƯỢC CHIỀU

Giáo viên hướng dẫn: TS. Trương Hữu Trì

Lớp: 21KTHH2

Nhóm học phần: 21.50C

Sinh viên thực hiện: NGÔ THỊ THU HIỀN

NGUYỄN NGỌC MAI PHƯƠNG

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LỜI MỞ ĐẦU

Đồ án Quá trình & Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học, tiếp cận với thực tế thông qua việc tính tốn, lựa chọn quy trình và các thiết bị với số liệu cụ thể. Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho cơng việc của một người kỹ sư. Trong kỹ thuật hóa học có rất nhiều phương pháp khác nhau ứng dụng cho các quá trình sản xuất. Một trong các phương pháp đó là cơ đặc: Cơ đặc là q trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan khơng bay hơi ở nhiệt độ sơi với mục đích:

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất. - Làm tăng nồng độ chất tan.

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.

Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cơ đặc dạng ống tuần hồn trung tâm, tuần hồn cưỡng bức, phịng đốt ngồi,… trong đó thiết bị cơ đặc có ống tuần hồn trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị có ngun lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, cô đặc dung dịch có độ nhớt tương đối và cao,..; dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi,… nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. Trong thực tế người ta thường sử dụng hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong q trình sản xuất.

Với nhiệm vụ thiết kế là tính tốn, thiết kế hệ thống cơ đặc hai nồi xi chiều ống tuần hồn trung tâm để cơ đặc dung dịch Natri hydroxide (NaOH) với công suất 36000 kg/h từ nồng độ đầu 5% lên tới 30% theo khối lượng.

Qua thời gian học tập và tìm hiểu em đã hồn thành nội dung đồ án với 5 nội dung chính: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan.

- Chương 2: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính. - Chương 3: Tính tốn thiết bị phụ.

- Chương 4: Tính tốn cơ khí. - Chương 5: Tính tốn chi tiết khác.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Thanh Sơn đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình em thực hiện đồ án. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trong bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong q trình hồn thành đồ án này. Tuy nhiên do còn hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm nên trong đồ án cịn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU...2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN...6

1. Tổng quan về ngun liệu:...6

2. Tổng quan về q trình cơ đặc:...6

2.1. Khái niệm, mục đích và đặc điểm q trình cơ đặc:...6

2.2. Các phương pháp cô đặc:...8

2.3. Thiết bị cô đặc:...8

2.4. Thời gian cơ đặc:...10

3. Quy trình cơng nghệ:...11

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH...11

1. Số liệu ban đầu:...12

2. Cân bằng vật liệu:...12

2.1. Tính lượng hơi thứ bốc trong q trình cơ đặc:...12

2.2. Tính sự phân bố hơi thứ trong các nồi:...12

2.3. Nồng độ dung dịch sau khi ra khỏi mỗi nồi:...12

2.4. Phân bố áp suất làm việc trong mỗi nồi:...13

2.5. Phân bố nhiệt độ trong mỗi nồi:...13

2.6. Tổn thất nhiệt độ:...14

2.7. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho tồn bộ hệ thống và phân bố cho từng nồi:...18

2.8. Nhiệt độ hơi đốt, hơi thứ và nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi:...19

3. Cân bằng nhiệt lượng:...19

3.1. Nhiệt dung riêng: C (J/Kg.độ)...19

3.2. Nhiệt lượng riêng:...20

3.3. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng:...20

4. Tính tốn diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:...22

4.1. Độ nhớt:...22

4.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch: λdddd...23

4.3. Hệ số cấp nhiệt: α...24

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ...31

1. Thiết bị ngưng tụ Bromet:...31

1.1. Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ:...31

1.2. Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ:...31 3

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.3. Các đường kính chủ yếu của thiết bị baromet:...32

2. Chọn bơm:...37

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CƠ KHÍ...38

1. Tính tốn thơng số của buồng đốt:...38

1.1. Số ống truyền nhiệt:...38

1.2. Đường kính trong của buồng đốt:...39

1.3. Chiều dày buồng đốt:...39

1.4. Bề dày đáy buồng đốt:...41

2. Tính tốn thơng số của buồng bốc:...43

2.1. Đường kính trong của buồng bốc:...43

2.2. Chiều cao buồng bốc hơi:...44

2.3. Bề dày thân buồng bốc:...44

2.4. Bề dày nắp buồng bốc hơi:...46

2.5. Bề dày đáy buồng bốc:...47

CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CHI TIẾT KHÁC...49

1.5. Ống tháo nước ngưng:...51

1.6. Đường kính ống tuần hồn:...52

2. Tính bề dày lớp cách nhiệt:...52

KẾT LUẬN...55

TÀI LIỆU THAM KHẢO...56

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Khoa Hóa

---o---o---o---ĐỒ ÁN MƠN HỌC

Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HÓA HỌC

Sinh viên thực hiện Lớp

Ngành

: :

1- Đầu đề : Tính tốn và thiết kế hệ thống thiết bị cơ đặc liên tục hai nồi ngược chiều ống

tuần hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch KNO3 .

2- Số liệu ban đầu :

- Năng suất theo dung dịch đầu: Gđ = 18000 kg/h - Nồng độ đầu: xđ = 8% khối lượng

- Nồng độ cuối: xc = 30% khối lượng - Áp suất hơi đốt: P1 = 5 at

- Áp suất hơi ngưng tụ baromet: Pnt = 0,15 at

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn

- Sơ đồ dây truyền cơng nghệ cơ đặc và cấu tạo thiết bị chính (kèm bản vẽ mơ tả) - Tính tốn bề mặt truyền nhiệt bề mặt truyền nhiệt thiết bị cơ đặc

- Tính tốn bề dày lớp cách nhiệt - Tính tốn thiệt bị ngưng tụ baromet - Tính cơ khí

4.Bản vẽ

- Sơ đồ dây truyền cơng nghệ hệ thống cô đặc: khổ A3 ( 1 bản)

5- Thời gian thực hiện :

- Ngày bắt đầu giao đồ án : 27/08/2022 - Ngày nộp đồ án : 12/2022

- Ngày bảo vệ : 28/12/2022

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

1.

Tổng quan về ngun liệu:

- Natri hydroxide (cơng thức hóa học: NaOH) hay thường gọi là xút hoặc xút ăn da hay là kiềm NaOH (kiềm ăn da) là một hợp chất vô cơ của Natri. Ở dạng nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,1 g/cm3, nóng chảy ở 318°C (519K) và sơi ở 1390°C (1663K) dưới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nước (1110g/l ở 20°C) và sự hòa tan tỏa nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung mơi hữu cơ như metanol, etanol … NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ khơng khí nên chúng cần được chứa trong các bình có nắp kín. - Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mịn cao. Vì

vậy ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an tồn lao động trong q trình sản xuất NaOH.

- Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hóa chất cơ bản và lâu năm. Nó đóng vai trị to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa,… Natri hydroxide cũng được sử dụng chủ yếu trong phịng thí nghiệm.

- Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 lỗng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất lỗng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.

2. Tổng quan về q trình cơ đặc:

2.1. Khái niệm, mục đích và đặc điểm q trình cơ đặc:

- Cơ đặc là q trình tăng nồng độ chất rắn hịa tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu

tử bằng cách làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan khơng bay hơi.

- Mục đích của q trình cơ đặc:+ Làm tăng nồng độ chất tan

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

+ Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)+ Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

- Q trình cơ 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.

- Q trình cơ đặc thường được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất

khác nhau (áp suất chân không, áp suất thường và áp suất dư) :

+ Cô đặc ở áp suất chân không: Thường được dùng cho các dung dịch dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao. Ở điều kiện áp suất chân không, nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên hiệu số nhiệt độ hữu ích lớn dẫn đến giảm bề mặt trao đổi nhiệt cho thiết bị. Ngoài ra có thể tận dụng nhiệt từ các q trình khác.

+ Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển: Thường dùng cho các dung dịch khơng bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch của muối vơ cơ. Hơi thứ của q trình này được sử dụng để gia nhiệt cho các nồi cô đặc khác hoặc cho các q trình đun nóng khác.

+ Cơ đặc ở áp suất khí quyển: Hơi thứ khơng được sử dụng mà được thải ra ngồi khơng khí. Đây là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế (thiết bị hở) .

- Q trình cơ đặc có thể tiến hành ở một nồi hoặc hệ thống nhiều nồi, có thể làm việc

liên tục hay gián đoạn. Hơi thứ bay ra trong q trình cơ đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi 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.

+ Cơ đặc nhiều nồi: Là q trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa về mặt sử dụng nhiệt.

2.2. Các phương pháp cô đặc:- Có hai phương pháp cơ đặc:

+ Phương pháp nhiệt: Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi nước dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng dung dịch.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

+ Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tín xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp.

2.3.Thiết bị cô đặc:

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cơ đặc đun nóng bằng hơi nước được dùng phổ biến, loại này gồm có hai phần chính:

+ Bộ phận đun sơi dung dịch (phịng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch.

+ Bộ phận bốc hơi: Là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng-hơi của dung dịch sơi. 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 cô 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 hịa, hơi q nhiệt), bằng khói lị, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao..), bằng dịng điện. + Theo chất độ tuần hồn của dung dịch: tuần hoàn cưỡng bức, tuần hoàn tự nhiên… + Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: vỏ bọc ngồi ống xoắn, ống chùm.

2.3.1. Thiết bị cơ đặc có ống tuần hoàn trung tâm:

- Phần dưới của thiết bị là phịng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và ở tâm có ống

tuần hồn tương đối lớn. Dung dịch đi bên trong ống, hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngồi ống. Phía trên phịng đốt là phịng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi-lỏng còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.

+ Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa. Thường được sử dụng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch có thể có nhiều váng, cặn…

+ Nhược điểm: Tốc độ tuần hồn còn bé, hệ số truyền nhiệt thấp.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

2.3.2. Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:

- Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, nồi đầu thường làm việc ở áp suất cao hơn áp

suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không.

- Nguyên tắc hoạt động: Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc

lên ở nồi này được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng lên do dung môi bốc hơi một phần. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sơi của dung dịch, Do đó, cần phải tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch. Vì vậy, dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc hơi nước ngưng tụ.

+ Ưu điểm: Dung dịch tự chuyển từ nồi trước sang nồi sau do sự chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nồng độ dung dịch tăng qua các nồi.

+ Nhược điểm: Nhiệt dộ dung dịch của các nồi sau giảm dần. Nồng độ dung dịch tăng do đó độ nhớt tăng dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. 9

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

2.4.Thời gian cô đặc:

- Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi

nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu.

- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc

hơi của sản phẩm. Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm thiết bị càng ngắn.

- Cường độ bốc hơi: Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi

nhiệt giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi. Cường độ trao đổi nhiệt được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt của q trình cơ đặc. Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

3. Quy trình cơng nghệ:

- Dung dịch từ thùng chứa hỗn hợp đầu được 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 buồng đốt của nồi cô đặc 1 thông qua ống tuần hoàn và bơm tuần hoàn. Hơi thứ bốc ra từ nồi 1 đi vào phòng đốt của nồi 2.

- Dung dịch sau khi cô đặc từ nồi 1 tự di chuyển 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 lấy ra bên dưới thiết bị cô đặc, thiết bị gia nhiệt, khí khơng ngưng

được tháo ra định kỳ.

- Hơi thứ nồi 2 sau khi vào thiết bị ngưng tụ cịn 1 lượng khí khơng ngưng sẽ được đưa

vào bộ phận thu hồi bọt đẻ tách bọt, khí khơng ngưng được đưa ra ngồi.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH

1. Số liệu ban đầu:

 Nhiệm vụ: Tính tốn và thiết kế hệ thống thiết bị cơ dặc hai nồi xi chiều ống tuần

hồn trung tâm để cô đặc dung dịch NaOH.

- Các số liệu ban đầu:

+ Năng suất dung dịch đầu: Gđ = 36000 kg/h. + Nồng độ đầu: xđ = 5 % khối lượng.

+ Nồng độ cuối: xc = 30 % khối lượng.

+ Áp suất hơi tuyệt đối của hơi đốt nồi đầu: Phđ1 = 4 at. + Áp suất hơi ngưng tụ: Pnt = 0,2 at.

- Các kí 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.

+ W là lượng dung môi nguyên chất bốc hơi khi nồng độ dung dịch thay đổi từ xđ đến xc, tính theo: kg/h.

+ W1, W2 là lượng hơi thứ bay ra ở các nồi, tính theo: kg/h.

2. Cân bằng vật liệu:

2.1. Tính lượng hơi thứ bốc trong quá trình cơ đặc:

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất. Coi q trình bay hơi khơng kéo theo chất hịa tan theo hơi thứ:

2.2. Tính sự phân bố hơi thứ trong các nồi:

Chọn tỷ lệ phân bố hơi thứ trong các nồi như sau:

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Nồng độ nồi 2:

x2 ¿ Gđ .xđ

Gđ−(W1+W2) = 36000−3000036000.5 = 30 % khối lượng

2.4. Phân bố áp suất làm việc trong mỗi 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 Baromet.

+ ∆p1, ∆p2 là hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2 và của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ.

+ ∆plà hiệu số áp suất cho toàn bộ hệ thống. Chọn áp suất hơi đốt nồi 1: Phđ1 = 4 at.

Chọn áp suất thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt = 0,2 at.

Giả sử sự giảm áp suất trong các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ lệ sau:

2.5. Phân bố nhiệt độ trong mỗi nồi:

+ Gọi thđ1, thđ2, tnt là nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và thiết bị ngưng tụ. + Gọi tht1, tht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 và nồi 2.

Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết bị khác là

Dựa vào công thức (5) và (6) để xác định nhiệt độ hơi thứ nồi 1 và nồi 2 (tht1 và tht2), từ đó xác định được áp suất hơi thứ nồi 1 và nồi 2 (Pht1 và Pht2).

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

 Các số liệu tra bảng I.251, trang 314 STQTTB tập 1:

Bảng 1: Nhiệt độ hơi nước bão hòa theo áp suất.

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 và tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống gây nên.

2.6.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ: Δ’

Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng một áp suất được gọi là tổn thất nồng độ.

∆'(P mặt thoáng)=tsdd(P mặt thoáng)−tsdm(P mặt thoáng)

 Áp dụng công thức Tisencô (VI.10, trang 59 STQTTB tập 2):

=∆ '0f

- Trong đó:

+ Δ’0 là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung mỗi ở áp suất thường.

+ f =16,2T

r (VI.11, trang 59 STQTTB tập 2)

+ T là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg. + R là ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg.

 Dựa vào bảng (VI.2, trang 67 STQTTB tập 2) ta biết được tổn thất nhiệt độ ∆ '0 theo

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

 Dựa vào bảng (I.251, trang 314 STQTTB tập 1) ta xác định được nhiệt hóa hơi r.

Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi.

Nhiệt hóa hơi: r.10-3 (J/kg) 2223,8 2356.9 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi:

2.6.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: Δ’’

Tổn thất nhiệt độ Δ’’ 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 thống. 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 thủy tĩnh gây ra.

- Trong đó:

+ tsdd (P mặt thống) là nhiệt độ sôi ứng với Ptb.

+ tsdd (P0)là nhiệt độ sôi của dung dịch trên bề mặt thống 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: Ta có:

Ptb=P0+

(

∆ h+h

)

. ρdds. g (VI.12 trang 60, STQTTB tập 2)

- Trong đó:

+ Ptb là áp suất trung bình tại nửa ống truyền nhiệt, N/m2. + P0 là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2.

+ Δh là 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 là chiều cao của ống truyền nhiệt. Chọn h = 4 m. + ρdds là khối lượng riêng của dung dịch sôi, kg/m3.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Với: ρdds(ở áp suấtlàm việc)=ρdd (ở áp suất khí quyển)

 Bảng số liệu nhiệt độ sôi của dung dịch, khối lượng riêng của dung dịch NaOH ở áp

suất khí quyển (Tra bảng I.23, trang 35 STQTTB tập 1), áp suất hơi thứ trên bề mặtdung dịch và áp suất hơi nước bão hòa theo nhiệt độ (Tra bảng I.250, trang 312

 Tìm nhiệt độ sơi trung bình (t°

s) của dung dịch NaOH ứng với áp suất trung bình (Ptb) ta dùng cơng thức Babo. (Theo CT VI.11a, trang 59 STQTTB tập 2).

- Trong đó:

+ P là áp suất hơi bão hịa của dung mơi trên bề mặt thoáng của dung dịch, at. + P0 là áp suất hơi bão hịa của dung mơi ngun chất, at.

 Tính ts1 ứng với Ptb1 ớ nồi 1: Biết ở áp suất 1 at dung dịch sôi ở 102,4 °C.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Ở 102,4°C, P0 = 1,128 at (áp suất tuyệt đối). (Theo bảng I.250, trang 312 STQTTB

 Tính ts2 ứng với Ptb2 ớ nồi 2: Biết ở áp suất 0,2 at dung dịch sôi ở 117,5°C.

Ở 117,5°C, P0 = 0,74 at (áp suất tuyệt đối), (Theo bảng I.250, trang 312 STQTTB

2.6.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống: ∆’’’

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1°C. Do đó:

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

2.7. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho tồn bộ hệ thống và phân bố cho từng nồi:2.7.1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho tồn bộ hệ thống:

2.8. Nhiệt độ hơi đốt, hơi thứ và nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi:

NồiNhiệt độ hơi đốtNhiệt độ sôi dung dịchNhiệt độ hơi thứ

3. Cân bằng nhiệt lượng:

3.1. Nhiệt dung riêng: C (J/Kg.độ)

3.1.1. Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cho vào nồi cơ đặc: Cđ

Vì dung dịch đầu có nồng độ xđ =5% < 20%, nên ta áp dụng công thức: (Theo CTI.43, trang 152 STQTTB tập 1)

Cđ = 4186.(1-x)

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

= 4186.(1-0,05) = 3976,7 (J/kg.độ)

3.1.2. Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1: C1 = Cc1

Vì dung dịch cuối nồi 1 có nồng độ xc1 = 8,84% < 20%, nên ta áp dụng công thức:

(Theo CT I.43, trang 153 STQTTB tập 1)

C1 = 4186.(1-x)

= 4186.(1-0,0844) = 3832,8 (J/Kg.độ)

3.1.3. Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2: C2 = Cc2

Vì dung dịch cuối nồi 2 có nồng độ xc2 = 30% > 20%, nên ta áp dụng công thức:

(Theo CT I.44, trang 153 STQTTB tập 1)

C2 = Cht.x + 4186.(1-x) (J/Kg.độ)

- Trong đó: Cht là nhiệt dung riêng chất hòa tan khan, J/Kg.độ. Nhiệt dung riêng của NaOH tính theo cơng thức:

M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 (*) (Theo CT I.41, trang 152 STQTTB tập 1)

 Dựa vào bảng (I.41, trang 152 STQTTB tập 1) ta biết được nhiệt dung riêng các

Thay vào (*) ta được: Cht = 1310,75 (J/Kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2:

C2 = 1310,75.0,3 + 4186.(1-0,3) = 3323,425 (J/Kg. độ)

3.1.4. Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1:

Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1 ứng với nhiệt độ của hơi đốt nồi 1: thđ1 = 142,8 °C

 Tra bảng I.249, trang 311 STQTTB tập 1: Cn1 = 4294,0 (J/Kg.độ)

3.1.5. Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 2:

Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 2 ứng với nhiệt độ của hơi đốt nồi 2: thđ1 = 113,6 °C

 Tra bảng I.249, trang 311 STQTTB tập 1: Cn2 = 4239,1 (J/Kg.độ)

3.2. Nhiệt lượng riêng:

Nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi đốt: I Nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi thứ: i

 Dựa vào bảng (I.250, trang 312 STQTTB tập 1) ta biết được nhiệt lượng riêng của

dung dịch:

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Bảng 4: Bảng số liệu nhiệt lượng mỗi nồi.

+ D: Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, Kg/h. + Gđ , Gc: Lượng dung dịch đầu và cuối, Kg/h.

+ W1, W2: Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, nồi 2, Kg/h.

+ Cđ, C1, C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc, sau khi ra khỏi nồi 1 và sau khi ra khỏi nồi 2.

+ I1, I2: Hàm nhiệt hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, J/kg. + i1, i2: Hàm nhiệt hơi thứ vào nồi 1, nồi 2, J/kg.

+ Cn1, Cn2: Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/Kg.độ. + θ1, θ2: Nhiệt độ của nước ngưng nồi 1, nồi 2.

+ Qtt1, Qtt2: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, J.

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng3.3.1. Nhiệt lượng vào:

- Nồi 1:

+ Nhiệt lượng do hơi đốt mnag vào: D.I1 + Nhiệt do dung dịch mang vào: Gđ.Cđ.tđ

- Nồi 2:

+ Nhiệt lượng do hơi thứ mang vào: W1.i1

+ Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang: (Gđ-W1).C1.ts1

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

3.3.2. Nhiệt lượng ra:

3.3.3. Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

Dựa trên nguyên tắc:

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Chọn nhiệt độ dung dịch đầu: tđ = 25°C Thay số vào (4) và (5) ta được kết quả sau:

+ θ1, θ2 : nhiệt độ của chất lỏng chuẩn có cùng giá trị độ nhớt µ1, µ2.

Ở đây chọn chất lỏng chuẩn là rượu etylic 60% (Theo bảng I.101, trang 92 STQTTBtập 1).

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

 Độ nhớt của dung dịch nồi 1: x1 = 8,44 %, ts1 = 120,8 °C.

Độ nhớt của dung dịch ở 20 °C và 30 °C (Tra bảng I.107, trang 100 STQTTB tập 1). Độ nhớt của nước ứng với θs1 = 95,9 °C là µs1 = 0,0002966 (N.s/m2)

Độ nhớt của nước ở 95,9 °C chính bằng độ nhớt của dung dịch NaOH 8,44% ứng với nhiệt độ sôi ts1 = 120,8 °C.

Độ nhớt của dung dịch ở 60 °C và 80 °C (Tra theo toán đồ độ nhớt của dung dịch

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

ts 2−tμ 2

θs 2−θμ 2=k =¿θs 2=ts 2−tμ 2

k +θμ 2=¿ °C

Độ nhớt của dd NaCl 20% ứng với θs2 = 19,4 °C là µs1 = 0,001584 (N.s/m2)

Độ nhớt của dung dịch NaCl 20% ở 19,4 °C chính bằng độ nhớt của dung dịch NaOH 30% ứng với nhiệt độ sôi ts1 = 93,6 °C.

4.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch: λdd

Tính theo cơng thức sau:

λdd=A . Cp. ρ .

√

3 Mρ ¿ (CT I.32, trang 123, STQTTB tập 1)

- Với:

+ A: là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước. A = 3,58.10-8

+ Cp: là nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ. + ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3.

+ M: khối lượng mol của chất lỏng.

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Ở đây ta dùng hơi nước bão hòa làm hơi đốt đi ngồi ống, cịn dung dịch cơ đặc đi trong ống. Do đó bên ngồi ống có lớp nước ngưng tụ. Lớp nước ngưng này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Cịn 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.

Qúa 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 nhiệtlà α2 với nhiệt tải riêng là q2 (W/m2 ).

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

4.3.1. Tính hệ số cấp nhiệt về phía nước ngưng: α1 (CT V.101 trang 28 STQTTB tập 2)

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

+ p: áp suất làm việc. Lấy p = ptbi (N/m2). + ∆t2: Hiệu số nhiệt độ ở nồi 1 và nồi 2 + q: nhiệt tải riêng.

o λdddd, 𝜌dd, Cdd, 𝜇dd: Độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương ứng với độ sôi của dung dịch.

o λddn, 𝜌n, Cn, 𝜇n: Độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương ứng với độ sôi của nước.

Bảng 5: Các thông số của dung dịch.

Nồi λdd(W/m.độ) ρdd (Kg/m3) Cdd (J/Kg.độ) µdd (N.s/m2)

 Dựa vào bảng I.249, trang 310 STQTTB tập 1, ta tra các thông số của nước theo nhiệt độ của mỗi nồi:

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Bảng 6: Bảng tra các thông số của nước theo nhiệt độ của các nồi.

</div>

đề tài thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch kali nitrate hai nồi ngược chiều

<b>MỤC LỤC</b>

<b>CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN</b>

<b>Tổng quan về ngun liệu:</b>

<b>CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH</b>

(

)

√

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về