Đề tài " THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI GIÁN ĐOẠN DUNG DỊCH NaCl " potx
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (632.65 KB, 60 trang )
Đề tài
" THIẾT KẾ THIẾT BỊ
CÔ ĐẶC MỘT NỒI
GIÁN ĐOẠN DUNG
DỊCH NaCl "
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 1
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠ ĐẶC
MỘT NỒI GIÁN ĐOẠN DUNG DỊCH NaCl
MỤC LỤC
Lời nói đầu 2
Chương I: Giới thiệu tổng quan
I.Nhiệm vụ của đồ án 3
II.Tính chất ngun liệu và sản phẩm 3
III.Cơ đặc 4
IV.Quy trình cơng nghệ 5
Chương II : Thiết kế thiết bị chính
A.Cân bằng vật chất và năng lượng 8
I. Cân bằng vật chất 8
II. Cân bằng năng lượng 9
B. Tính thiết kế thiết bị chính
I.Hệ số truyền nhiệt 14
II.Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cơ đặc 21
III.Buồng đốt và đáy 23
IV. Buồng bốc và nắp 24
C. Tính cơ khí cho thiết bị chính 27
I.Buồng đốt 27
II.Buồng bốc 28
III.Đáy 30
IV.Nắp 32
V. Tính cách nhiệt cho thân 32
VI.Mối ghép bích 33
VII.Vỉ ống 34
VIII.Khối lượng và tai treo 35
IX.Các ống dẫn ,cửa 37
Chương III :Tính chi tiết thiết bị phụ
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 2
I.Thiết bị ngưng tụ Baromet 39
II.Bơm 44
Chương IV : Tính giá thành thiết bị 49
Kết luận 51
Tài liệu tham khảo 52
Lời nói đầu
Ngày nay, cơng nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành cơng nghiệp quan trọng ảnh hưởng
đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là
Natri Clorua (NaCl) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó.NaCl tinh khiết được sử dụng
nhiều trong thực phẩm dưới dạng muối ăn ,hay sử dụng nhiều trong ngành y tế dưới dạng
dịch truyền.đ
Nhiệm vu cụ thể của đồ án mơn học là thiết kế hệ thống cơ đặc chân khơng gián đoạn
NaCl từ 10% lên 27% ,năng suất 1200kg /mẻ ,sử dụng ống chùm.
Đồ án gồm 4 chương :
Chương I:Giới thiệu tổng quan
Chương II :Thiết kế thiết bị chính
Chương III :Thiết kế các chi tiết phụ
Chương IV: Tính tốn giá thành thiết bị
Có thể nói thực hiện Đồ án mơn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ơn lại tồn bộ các
kiến thức đã học về các q trình và cơng nghệ hóa học. Ngồi ra đây còn là dịp mà sinh
viên có thể tiếp cận với thực tế thơng qua việc lựa chọn, tính tốn và thiết kế các chi tiết
của một thiết bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Trần Văn
Nghệ , và các thầy cơ bộ mơn Máy và Thiết Bị khoa Cơng nghệ Hóa học và Dầu khí
trường Đại học Bách khoa thành phố Hố Chí Minh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần
Văn Nghệ và các thầy cơ khác cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong q trình thực
hiện đồ án.
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 3
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 4
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN
Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án mơn học này là thiết kế hệ thống cơ đặc chân khơng gián
đoạn dung dịch NaCl từ nồng độ 10% đến nồng độ 27%, năng suất 1200kg/mẻ, sử dụng
ống chùm.
II. TÍNH CHẤT NGUN LIỆU VÀ SẢN PHẨM:
1 .Ngun liệu :
- NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion
- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày
- Khối lượng riêng dd 10% là 1073 (kg/m
3
)
- Độ nhớt là 1,07 *10
-3
(Ns/m
2
) ở 20
0
C (dung dịch 10%).
- Độ hòa tan ở 60
o
C là 27,1% ,ở 20
o
C là 26,3%
- Ngun liệu đem đi cơ đặc là dd NaCl 10% với dung mơi là nước .
2. Sản Phẩm:
Khi kết thúc q trình cơ đặc ,dung dịch ở nhiệt độ từ 75-80
o
C ,khi đó độ hòa tan của
dung dịch khoảng 27,5% .Nhưng độ hòa tan cuả dung dịch ở nhiệt độ thường chừng
26,3%.Vì vậy ,q trình cơ đặc NaCl này là để tạo dung dịch bão hòa ,và khi làm nguội thì
sẽ có NaCl tinh thể kết tinh .Trong khi các muối tạp chất khác như MgCl
2
hay CaCl
2
lại tan
ở nhiệt độ thường ,vì vậy q trình này có thể được sử dụng vừa thu dung dịch muối bão
hòa vừa tách tạp chất để sản xuất muối tinh khiết khi hạ nhiệt độ. Muối tinh khiết thường
được sử dụng trong thực phẩm và y tế.
3.Những biến đổi của ngun liệu và sản phẩm trong q trình cơ đặc:
Trong q trình cơ đặc, tính chất cơ bản của ngun liệu và sản phẩm biến đổi khơng
ngừng. Thời gian cơ đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch
thay đổi:
Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt.
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ,
nhiệt độ sơi.
u cầu chất lượng sản phẩm :
Đạt nồng độ và độ tinh khiết u cầu.
Thành phần hố học chủ yếu khơng thay đổi.
III. CƠ ĐẶC:
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 5
1. Định nghĩa
Cơ đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung
dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay khơng bay hơi
trong q trình đó) ta có thể tách một phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương
pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.
Cơ đặc là q trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách
tách bớt một phần dung mơi qua dạng hơi.
2. Các phương pháp cơ đặc:
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi 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 thống
chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra
dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung mơi để tăng nồng độ chất tan.Tùy
tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh đó xảy
ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đơi khi phải dùng đến máy lạnh.
3. Phân loại và ứng dụng
a. Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng cơ đặc dung dịch khá
lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hồn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt
truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hồn trong
hoặc ngồi.
- Có buồng đốt ngồi ( khơng đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5
m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung
dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
- Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm
biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước
trái cây,hoa quả ép…Gồm:
- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt
khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi ít tạo bọt và
bọt dễ vỡ.
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 6
b. Theo phương pháp thực hiện q trình
Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất khơng đổi. Thường dùng cơ
đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian
cơ đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là khơng cao.
Cơ đặc áp suất chân khơng: Dung dịch có nhiệt độ sơi dưới 100
o
C, áp suất chân khơng.
Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cơ đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên lớn q vì sẽ
làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cơ chân khơng, cơ 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.
Cơ đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự
động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
4. Ưu điểm và nhược điểm của cơ đặc chân khơng gián đoạn
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, khơng cần ổn định lưu lượng.
- Thao tác dễ dàng.
- Có thể cơ đặc đến các nồng độ khác nhau.
- Khơng cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch.
- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.
Nhược điểm
- Q trình khơng ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo
nồng độ, thời gian.
- Nhiệt độ hơi thứ thấp, khơng dùng được cho mục đích khác.
- Khó giữ được độ chân khơng trong thiết bị.
IV. QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
1. Thuyết minh quy trình cơng nghệ
- Khởi động bơm chân khơng đến áp suất Pck = 0,7 at.
- Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% từ bể chứa ngun liệu vào nồi cơ đặc
bằng bơm ly tâm. Q trình nhập liệu diễn ra trong vòng 20 phút đến khi nhập đủ 3240 kg
thì ngừng.
- Khi đã nhập liệu đủ 3240 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at)
vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch. Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống
chùm) và một ống tuần hồn trung tâm có đường kính lớn hơn. Dung dịch chảy trong ống
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 7
được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngồi ống. Dung dịch trong ống sẽ sơi và tuần hồn qua ống
tuần hồn (do ống tuần hồn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch
trong ống tuần hồn sẽ sơi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch
trong ống tuần hồn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy
tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hồn sang các ống truyền nhiệt). Dung mơi là nước
bốc hơi và thốt ra ngồi 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 ngồi bồn chứa. Phần khơng ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị
tách giọt để chỉ còn khí khơng ngưng được bơm chân khơng hút ra ngồi. Hơi đốt khi
ngưng tụ chảy ra ngồi qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngồi.
- Q trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 27% (sau thời gian cơ đặc đã tính: 121,3 phút)
thì ngưng cấp hơi. Mở van thơng áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu.
2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình cơng nghệ
a Bơm
Bơm được sử dụng trong quy trình cơng nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân khơng.
+ Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng.
Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy.
Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaCl từ bể chứa ngun liệu vào nồi cơ
đặc.
+ Bơm chân khơng được dùng để tạo độ chân khơng khi hệ thống bắt đầu làm việc.
b Thiết bị cơ đặc
Đây là thiết bị chính trong quy trình cơng nghệ. Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và
buồng đốt. Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hồn
trung tâm có đường kính lớn hơn.
Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng
hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ. Ống tuần hồn
được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hồn trong thiết bị.
c Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình cơng nghệ là loại thiết bị ngưng tụ
trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet). Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng
thiết bị. Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân khơng nên nó phải được đặt ở một độ cao
cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí quyển mà khơng cần máy bơm.
d Thiết bị tách lỏng
Thiết bị tách lỏng được đặt sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử
bay hơi còn sót lại, chưa kịp ngưng tụ, khơng cho chúng đi vào bơm chân khơng.
e Các thiết bị phụ trợ khác
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 8
- Bẫy hơi
- Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.
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:
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 9
Dung dịch NaCl có:
- Nhiệt độ đầu 25
o
C, nồng độ đầu 10%.
- Nồng độ cuối 27%.
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
Ap suất ngưng tụ: P
ck
= 0,7 at.
Cơ đặc gián đoạn với năng suất 1200 kg/mẻ
1. Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ
Nồng độ, %
10 15 20 27
Khối lượng riêng, kg/m
3
1073 1110 1150 1205
2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
G
đ
= G
c
+ W
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
Trong đó
G
đ
, G
c
: lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (kg)
W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn (kg)
x
đ
, x
c
: nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn
G
đ
.x
đ
, G
c
.x
c
: khối lượng NaCl trong dung dịch (kg)
Khối lượng dd đầu :
G
đ
= 1200 *0,27 /0,1 = 3240 (kg)
a Giai đoạn 10% đến 15%
G
đ
= 3240 (kg)
x
đ
= 0,1 ; x
c
= 0,15
Lượng sản phẩm ( là dung dịch NaCl 15% ):
G
c
= G
đ
. 2160
15,0
1,0
*3240
c
đ
x
x
(kg)
Lượng hơi thứ:
W = G
đ
- G
c
= 3240 – 2160 = 1080 (kg)
b Giai đoạn 15% đến 20%
G
đ
= 2160(kg) ; x
đ
= 0,15 ; x
c
= 0,2
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 10
G
c
=
1620
2,0
15,0
*2160.
c
đ
đ
x
x
G
(kg)
W = G
đ
– G
c
= 2160 – 1620 = 540 (kg)
c Giai đoạn 20% đến 27%
G
đ
= 1620 (kg) ; x
đ
= 0,2 ; x
c
= 0,27
1200
27,0
2,0
*1620.
c
đ
đc
x
x
GG
(kg)
W = 1620 – 1200 = 420 (kg)
Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
W
t
= 1080+540+420 = 2040 (kg)
Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Nồng độ dung dịch, %
10 15 20 27
Thể tích dung dịch trong nồi, m
3
3,02 1,946 1,4 1
Khối lượng dung dịch, kg
3240 2160 1620 1200
Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg
0 1080 1620 2040
Khối lượng riêng dung dịch, kg/m
3
1073 1110 1150 1205
II. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Ap suất làm việc trong buồng bốc thiết bị cơ đặc P
1
= 0,3 at.
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng bốc t
1
= 68,7
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ).
Đây cũng là nhiệt độ sơi của dung mơi (là nước) trên mặt thống dung dịch
)P(sdm
1
t
=
68,7
o
C
Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cơ đặc về thiết bị ngưng tụ
K
1
'''
.
Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ : t
0
= 68,7 - 1 = 67,7
o
C.
1. Các tổn thất nhiệt độ – Nhiệt độ sơi dung dịch
a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sơi dung dịch NaCl theo nồng độ ở
áp suất P
1
= 0,3 at (
'
) :
Theo tài liệu [3] trang 149:
'
= o
'
*f
Với f tra ở tài liệu [3] trang 147 :
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 11
Với
)P(sdm
1
t
= 68,7
o
C ,f = 0,81
Nồng độ dung dịch, %
10 15 20 27
Tổn thất o
'
,
o
C
1,9 3,25 4,85 8
Tổn thất
'
,
o
C
1,54 2,63 3,9 6,48
Nhiệt độ sơi dd ,
o
C 70,2 71,3 72,6 75,2
b Tổn thất nhiệt độ do hiệu ứng thủy tĩnh
''
. Nhiệt độ sơi dung dịch ở áp suất trung
bình
Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4]
)P(sdm)P(sdm)P(sdd)P(sdd
''
1tb1tb
tttt
Với: P
tb
= P
1
+ 0,5
hh
.g.H
op
= P
1
+
P
P = 0,5
hh
.g.H
op
ddhh
2
1
Trong đó
dd
: Khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối ở nhiệt độ
)PP(sdd
1
t
H
op
: Chiều cao lớp chất lỏng sơi
Trong thiết bị tuần hồn tự nhiên
H
op
=
odmdd
H.0014,026,0
Với H
o :
Chiều cao ống truyền nhiệt
dm
: Khối lượng riêng dung mơi ở t
sdm
* Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H
o
= 1,5m
Tính cho trường hợp dung dịch NaCl 10 %
Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số
dmdd
thay đổi khơng đáng kể nên :
)/(999
3
mkg
dm
)/(1073
3
%)25(
mkg
dd
5454,05.1*)9991073(*0014.026.0
op
H (m)
atmNHgP
ophh
015,0/24,14355454,0*81,9*1073*
2
1
*5,0***5,0
2
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 12
atPPP
tb
315,0015,03,0
1
Nhiệt độ sơi của H
2
O ở 0,315 at là 69,7
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )
Độ tăng nhiệt độ sơi do cột thủy tĩnh
17,687,69
)()(
''
1
PsdmPsdm
tt
tb
o
C
nhiệt độ sơi dung dịch NaCl 10 % ở áp suất P
1
+
P
2,7112,70
)(
1
PPsdd
t
o
C
Tính tương tự ta được
Nồng độ dung dịch, %
10 15 20 27
''
,
o
C
1 1,14 1,34 1,7
)2(
1
PPsdd
t
72,2 73,6 75,3 78,6
2. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn
Tính theo cơng thức 2.4 trang 104 Tài liệu [4]:
* Phương trình cân bằng nhiệt
cđtwcccđđđD
QQcDiWtcGtcGiDcD
).1.(
''
.
''
Với
D : lượng hơi đốt sử dụng (kg)
%
5
: tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo
: nhiệt độ nước ngưng (
o
C)
C : nhiệt dung riêng nước ngưng ở C
o
(J/kg độ)
c
đ
, c
c
: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (J/kg độ)
t
đ
, t
c
: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (
o
C)
''
D
i
: entanpi của hơi đốt (J/kg)
''
w
i
: entanpi của hơi thứ (J/kg)
Q
t
: nhiệt lượng tổn thất (J)
Q
cđ
: nhiệt lượng cơ đặc (J)
* Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ( do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo )
Q
D
= D.(1-
).(
.ci
''
D
) = D.(1-
).r =G
đ
(c
c
t
c
- c
đ
t
đ
) +W (iw
’’
- c
c
t
c
)
Q
cd
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 13
r =
.ci
''
D
: nhiệt hóa hơi của nước ở áp P
Đ
* Nhiệt dung riêng của dung dịch
Tính theo cơng thức 2.11 trang 106 Tài liệu [4]
c
dd
= 4190.(1-x) + c
1
.x
Trong đó
x: nồng độ dung dịch
c
1
: nhiệt dung riêng NaCl khan (J/kg độ)
Theo cơng thức 2.12 trang 183 Tài liệu [4]
c
1
= 89,88
5,58
10*2610*26
33
(J/kg độ)
Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ
Nồng độ dung dịch. % 10 15 20 27
Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg độ
3771 3652 3370 3082,7
* Chọn hơi đốt có áp suất P
D
=3 at
t
D
=132,9
o
C
* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at
r = 2171*10
3
J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )
* Entanpi của hơi thứ ở 73,05
o
C
''
w
i =2620*10
3
J/kg ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] )
* Tổn thất nhiệt Q
t
= 0,05*Q
D
* Xem nhiệt cơ đặc là khơng đáng kể
a Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 25
o
C đến 72,2
o
C
G
đ
= G
c
= 3240 (kg)
c
đ
= c
c
=3771 (J/kg độ)
t
đ
= 25
o
C ; t
c
=72,2
o
C ; W = 0 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho q trình:
Q
1
=3240*3771*(72,2-25) =5,77*10
8
(J)
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất ):
Q
D1
=
8
1
10*07,6
95,0
Q
(J)
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 14
Lượng hơi đốt sử dụng:
D
1
=
3,294
10*2171*)05,01(
10*07,6
3
8
(kg)
b Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% đến 15%:
G
đ
= 3240 (kg) ; c
đ
=3771 (J/kg độ ); t
đ
=72,2 (
o
C)
G
c
= 2160 (kg) ; c
c
= 3562 (J/kg độ) ; t
c
= 73,6 (
o
C)
W = 1080 (kg)
Nhiệt lượng tiêu tốn cho q trình:
Q
2
= 2160*3562*73,6 – 3240*3771*72,2 + 1080*2620*10
3
Q
2
=25,14*10
8
(J)
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
Q
D2
=
8
8
2
10*46,26
95,0
10*14,25
95,0
Q
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng
D
2
= 1283
10*2171*)05,01(
10*46,26
3
8
(kg)
c Giai đoạn đưa dung dịch từ 15% đến 20%:
G
đ
= 2160 (kg) ; c
đ
= 3562 (J/kg độ) ; t
đ
= 72,2(
o
C)
G
c
= 1620 (kg) ; c
c
= 3370 (J/kg độ ); t
c
= 75,3(
o
C)
W = 540 (kg)
Nhiệt lượng tiêu tốn cho q trình
Q
3
= 1620*3370*75,3 – 2160*3370*72,2 + 540*2620*10
3
Q
3
= 12,6*10
8
(J)
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt ):
Q
D3
=
8
8
10*26,13
95,0
10*6,12
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng
D
3
= 643
10*2171*)05,01(
10*26,13
3
8
(kg)
d Giai đoạn đưa dung dịch từ 20% đến 27%:
G
đ
= 1620 (kg) ; c
đ
= 3370 (J/kg độ ); t
đ
= 75,3(
o
C)
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 15
G
c
= 1200 (kg) ; c
c
= 3082,7 (J/kg độ ); t
c
= 78,6 (
o
C)
W = 420 (kg)
Nhiệt lượng tiêu tốn cho q trình
Q
4
= 1200*3082,7*78,6 – 1620*3370*75,3 + 420*2620*10
3
Q
4
= 9,8*10
8
(J)
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt ):
Q
D4
=
8
8
10*32,10
95,0
10*8,9
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng:
D
4
= 500
10*2171*)05,01(
10*32,10
3
8
(kg)
* Tổng nhiệt lượng:
Q
D
= 6,07*10
8
+ 26,46*10
8
+ 13,26*10
8
+ 9,8*10
8
=56,11*10
8
(J)
* Tổng lượng hơi đốt:
D = 294,3 + 1283 + 643 + 500 =2720,3 (kg)
* Lượng hơi đốt riêng:
D
riêng
= 33,1
2040
3,2720
W
D
(kg/kg hơi thứ)
* Tóm tắt cân bằng năng lượng:
Nồng độ dung dịch. % 10(25
o
C) 10(72,2
o
C) 15 20 27
Nhiệt lượng hữu ích, J*10
-8
0 5,77 30,9 43,5 53,3
Tổng nhiệt lượng cung cấp, J*10
-8
6,07 32,53 45,79 56,11
Lượng hơi đốt sử dụng, kg
294,3 1577,3 2220,0 2720,3
B. TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT
1. Hệ số truyền nhiệt trong q trình sơi
1.1 Các kí hiệu và cơng thức
1
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (W/m
2
K)
2
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sơi( W/m
2
K)
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 16
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (W/m
2
)
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch sơi(W/m
2
)
q
v
: nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt (W/m
2
)
1
v
t
: nhiệt độ trung bình vách ngồi ống (
o
C)
2
v
t
: nhiệt độ trung bình vách trong ống (
o
C)
t
D
: nhiệt độ hơi ngưng, t
D
= 132,9(
o
C)
t
dd
: nhiệt độ dung dịch sơi (
o
C)
1
vD1
t
t
t
ddv2
t
t
t
2
21
vvv
t
t
t
1
vDm
tt
2
1
t : nhiệt độ màng nước ngưng (
o
C)
1.1.1 Phía hơi ngưng:
111
t
.
q
(1)
Theo cơng thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
4
1
1
H*t
r
*A*04.2
(2)
Với A=
25,0
32
*
phụ thuộc vào nhiệt độ màng t
m
t
m
,
o
C
40 60 80 100 120 140 160 180 200
A
139 155 169 179 188 194 197 199 199
: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ t
m
(kg/m
3
)
: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t
m
(W/mK)
:độ nhớt của nước ở nhiệt độ t
m
(Pas)
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t
D
r = 2171*10
3
(J/kg)
H = 1,5 m: chiều cao ống truyền nhiệt
1.1.2 Phía dung dịch
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 17
q
2
=
22
t
.
(3)
Theo cơng thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]
435,0
2565,0
2
***
dd
n
n
dd
n
dd
n
dd
n
c
c
(4)
Trong đó
nnnn
,
c
,
,
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m
3
), nhiệt dung riêng (J/kg
độ), độ nhớt (Pas) của nước
dddddddd
,
c
,
,
: các thơng số của dung dịch theo nồng độ
n
: hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước (W/m
2
K)
15,07,0
**56,0 pq
n
(5), (cơng thức V.90 trang 26 Tài liệu [2])
Với q : nhiệt tải riêng (W/m
2
)
p : áp suất tuyệt đối trên mặt thống (N/m
2
)
p = p
1
= 0,3 at = 29430 (N/m
2
)
* Các thơng số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2] ):
t
sdm
= 68,7 (
o
C)
n
978,5 (kg/m
3
)
c
n
= 4186 (J/kg độ)
n
= 0,4*10
-3
(Ns/m
2
)
n
= 66,7*10
-2
(W/mK)
* Các thơng số của dung dịch:
dd
tra ở bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] ( ở 40
o
C )
dd
tính theo cơng thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]
3
dd
dd
dddd
8
M
**c*10*58.3
, W/mK
M
dd
=
18
1
5,58
1
xx
Với x : nồng độ dung dịch
c
dd
và
dd
xác định theo nồng đo
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 18
Nồng độ dung dịch, %
10 15 20 27
t
sdd
,
o
C
72,2 73,6 75,3 78,6
dd
, kg/m
3
1073 1110 1150 1205
c
dd
, J/kg độ
3771 3562 3370 3082,7
dd
, Ns/m
2
0,71*10
-3
0,78*10
-3
0,89*10
-3
1,08*10
-3
M
dd
19,34 20,09 20,9 22,14
dd
, W/mK
0,55 0,54 0,528 0,504
1.1.3 Phía vách ống truyền nhiệt
Theo thí dụ 19 trang 148 Tài liệu [4]
v
v
v
r
t
q (6)
v
t
=
vv
rq *
Trong đó:
2v
v
1
v
r
1
rr
1
r
Lấy
3
1
10*464,0
1
r
, (W/mK)
-1
: nhiệt trở của nước thường
3
2
10*389,0
1
r
(W/mK )
-1
: nhiệt trở cuả cáu bẩn
2
v
mm: bề dày ống truyền nhiệt
v
17,5 W/mK: hệ số dẫn nhiệt qua vách
3
3
3
10*389,0
5
.
17
10*2
10*464,0
v
r =9,653*10
-4
, (W/mK)
-1
1.1.4 Hệ số truyền nhiệt K
2
v
1
1
r
1
1
K
, W/m
2
K
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 19
Do khơng biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như
sau
1 Chọn
1
v
t
(< t
D
)
1
t
2 Tính
1
theo cơng thức (2)
3 Tính q
1
theo cơng thức (1)
4 Tính
v
t
theo cơng thức (6) với q
v
= q
1
2v
t
,
t
2
5 Tính
n
theo cơng thức (5) với q = q
1
6 Tính
2
theo cơng thức (4)
7 Tính q
2
theo cơng thức (3)
8 Tính q
tb
=
21
qq.
2
1
9 Xác định sai số ss =
1
tb1
q
q
q
Nếu ss > 5% thì chọn lại
1
v
t
và lặp lại q trình tính đến khi đạt sai số nhỏ
10 Tính K theo cơng thức (7)
1.2 Tính K cho các giai đoạn
a. Tímh ở nồng độ 10% :
Chọn
Ktt
v
9,4128
1
1
Tính
1
:
19145,1301289,132*
2
1
ACt
o
m
57,9083
5,1*9,4
10*2171
*191*204
*
**04,2
4
3
4
1
1
Ht
r
A
(W/m
2
K)
)/(5,445099,4*57,9083*
2
111
mWtq
)(97,4210*653,9*5,44509*
4
1
Crqt
o
vv
)(859,42128
2
Ct
o
v
)(8,122,7285
2
Ct
o
525,470316*29430*5,44509*56,0**56,0
15,07,015,07,0
1
pq
n
(W/m
2
K)
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 20
435,0
3
3
2565,0
2
10*71,0
10*4,0
*
4186
3771
*
5,978
1073
667,0
55,0
*525,4703
)/(56,3402
2
2
KmW
76,435528,12*56,3402*
222
tq
(W/m
2
)
)/(4403176,435525,44509
2
1
2
1
2
21
mWqqq
tb
1
tb1
q
ss %101,0
5,44509
13,440315,44509
(thỏa)
Vậy
Ct
o
v
128
1
K = )/(730
56,3402
1
10*653,9
57,9083
1
1
2
4
KmW
b. Tính ở nồng độ 15%:
Tính tương tự Ct
o
v
3,128
1
K = )/(718
75,3141
1
10*653,9
18,9228
1
1
2
4
KmW
c. Tính ở nồng độ 20%:
Tímh tương tự 5,128
1
v
t (
o
C)
K = )/(42,704
75,2880
1
10*653,9
3,9331
1
1
2
4
KmW
d. Tính ở nồng độ 27%:
Tính tương tự
Ct
o
v
129
1
K = )/(675
78,2425
1
10*653,9
99,9616
1
1
2
4
KmW
o Bảng tóm tắt
Nồng độ dung dịch,% 10 15 20 27
t
sdd
,
o
C 72,2 73,6 75,3 78,6
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 21
q
1
, W/m
2
44509,5 42449,63 41057,72 37506,29
q
2
,W/m
2
43552,76 43115,41 39083,09 34434,39
q
tb
, W/m
2
44031,13 42782,52 40070,4 35970,34
1
,W/m
2
K
9083,57 9228,18 9331,3 9616,99
2
, W/m
2
K
3402,56 3141,75 2880,75 2425,78
K, W/m
2
K 730 718 704 675
ss, % 1 0,78 2,4 4
2. Hệ số truyền nhiệt trong q trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ 25
o
C đến
72,2
o
C:
2.1 Các kí hiệu và cơng thức
Các kí hiệu
1
,
2
, q
1
,
q
2
,
q
v
,
1
v
t
,
2
v
t
, t
D
, t
dd
,
v21
t
,
t
,
t
, t
m
như mục 1.1
2.1.1 Phía hơi ngưng:
111
t
.
q
4
1
1
*
**04,2
Ht
r
A
A xác định theo t
m
r = 2171*10
3
J/kg
H = 1,5 m
2.1.2 Phía vách:
v
v
v
r
t
q
124
)/(10*653,9 KmWr
v
2.1.3 Phía dung dịch:
222
* tq
l
Nul
Nu
dd
dd
**
2
2
Trong đó
n
GrCNu Pr*
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 22
dd
dddd
c
*
Pr
2
2
3
****
dd
dddd
gtl
Gr
* C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau
Gr*Pr
3
10
thì Nu = 0.5
Gr*Pr
50010
3
thì
125,0
Pr.18,1 GrNu
7
10*2500Pr* Gr
thì
25,0
Pr.54,0 GrNu
Gr*Pr
7
10*2
thì
33,0
Pr.135,0 GrNu
* l : chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1,5 m
*
dddddddddd
c
,
,
,
,
: khối lượng riêng ( kg/m
3
), hệ số dãn nở thể tích ( K
-1
), hệ số
dẫn nhiệt ( W/mK ), độ nhớt ( Pa.s ), nhiệt dung riêng ( J/kg độ ) của dung dịch NaCl lấy ở
nhiệt độ màng
2
v
dd
_
m
tt
2
1
t
Với
)(6,48)252,72(
2
1
_
Ct
o
dd
)/(1073
3
mkg
dd
c
dd
= 3771 (J/kg độ)
3
10*78,0
dd
(Ns/m
2
)
mK
/
W
577
.
0
dd
của dung dịch NaCl 25%
T
o
,
o
C
0 20 40 60 80 100 120
3
10.
0,425 0,455 0,48 0,505 0,535 0,57 0,605
2.1.4 Hệ số truyền nhiệt :
2
v
1
1
r
1
1
K
, W/m
2
K
* Trình tự tính lặp
(1). Chọn
1v
t
t
1
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 23
(2). Tính
1
(3). Tính q
1
(4). Tính
2v1
t
t
t
2
(5). Tính Nu
2
2
(6). Tính q
2
(7). Tính q
tb
=
21
qq2
1
(8). Tính ss =
q
tb1
, tính cho đến sai số nhỏ (và phải nhỏ hơn 5% )
2.2 Thực hiện tính lặp
(1). Chọn
Ct
o
v
5,124
1
4,85,1249,132
1
t
(
o
C)
t
m
=
C
o
7,1285,1249,132
2
1
13
.
190
A
(2).
)/(83,7921
5,1*4,8
10*2171
13,190*04,2
2
4
3
1
KmW
(3).
)/(35,665434,8*83,7921
2
111
mWtq
(4).
23,6410*653,9*35,66543.
4
1 vv
rqt (
o
C)
)(27,6023,645,124
2
Ct
o
v
67,116,4827,60
2
t
(
o
C)
(5). Tính
2
:
868,4
55,0
10*78,0*3771
.
Pr
3
dd
dddd
c
3'
10*49,0435,546,4827,60
2
1
Ct
o
m
(K
-1
)
14
2
3
23
10*583,3
10*78,0
81,9*67,11*49,0*1073*5,1
Gr
ta thấy Gr*Pr > 2.10
7
14456)(Pr**135,0
33,0
GrNu
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ
trang 24
5300
*
2
l
Nu
dd
(W/m
2
K)
(6).
)/(61851*
2
222
mWtq
(7). q
tb
= 64197,25(W/m
2
)
(8). ss=0.035=3,5% (thoả)
Vậy hệ số truyền nhiệt giai đoạn này
)/(781
5300
1
10*653,9
83,7921
1
1
2
4
KmWK
II. BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CƠ ĐẶC
Phương trình truyền nhiệt cho khoảng thời gian nhỏ dT
dQ= K*F(T-t)*dT
Giả sử đến cuối q trình dung dịch vẫn ngập hết bề mặt truyền nhiệt
F
khơng đổi, T
khơng đổi
d
.
F
T=
tTK
dQ
Lấy tích phân ta được
F.T
2
=
Q
0
tTK
dQ
(1)
T
2
: thời gian cơ đặc ( khơng kể thời gian gia nhiệt cho dung dịch đầu đến 83.48
o
C ), s
Q : nhiệt lượng tiêu tốn cho q trình này, J
* Ta tính tích phân (1) bằng đồ thị. Cần xác định Q,
tTK
1
ở từng thời điểm.
Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27
Q*10
-8
, J 0 26,46 39,72 50,04
t(t
sdd
),
o
C 72,2 73,6 75,3 78,6
K, W/m
2
K 730 718 704 675
T-t 60,7 59,3 57,6 54,3
5
10*
)tT.(K
1
2,257 2,349 2,466 2,728
Vẽ đồ thị có : trục hồnh : Q*10
-8
(x)
