Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức buồng đốt ngoài, cô đặc dung dịch KNO3 từ 7% lên 32%
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (433.98 KB, 71 trang )
ĐẶT VẤN ĐỀ
Đối với một sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc nắm vững các kiến thức về
môn học quá trình thiết bị trong công nghệ hóa học là rất cần thiết. Việc nắm vững các kiến
thức này sẽ giúp cho các kỹ sư trong tương lai có thể thiết kế, vận hành tốt một quá trình
sản xuất chế biến, có ý tưởng thiết kê, nâng cao năng suất…Do vậy, môn học đồ án thiết bị
này đã giúp sinh viên có cơ hội hình dung lại các kiến thức đã học, đồng thời liên hệ thực
tiễn sản xuất. Để thực hiện đồ án này, sinh viên phải nắm vững các kiến thức về các quá
trình thủy lực, truyền nhiệt, truyền chất…
Trong công nghiệp hóa chất, để nâng cao nồng độ của một hóa chất nhằm thỏa mãn
nhu cầu sử dụng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ… phương pháp được sử dụng hữu
hiệu là cô đặc.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều, thiết bị cô
đặc tuần hoàn cưỡng bức buồng đốt ngoài, cô đặc dung dịch KNO
3
từ 7% lên 32%.
Trong quá trình thực hiện đồ án, do hạn chế về thời gian và kiến thức nên trong đồ án
còn tồn tại nhiều sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp từ quý thầy cô và các
bạn để tích lũy được nhiều kinh nghiệm và kiến thức cho bản thân.
MỤC LỤC
!"# !"$"
%&'()*+,-./
0+1)2&'3456789:7;
<=>(7?-34@A4BAC'DA4/@&'D45678EF
0G
HIJKLMN=OG
HIJKLG
PQ@E'R(9S'TG
0U379VQW@4X4Y345(BZ@E4PG
<U379V[9\7'P@/]@[@
JIJK!^=O
0U379V3-+'_445Y/]@[@
00U379V@E49\45Y737[@0
0<U379V737QY`@4%4_4@E445Y737[@0
0aRb@E4QWF
HJcd!^00
<\e4fg00
<0E+Phi@E47j(h'hV7fkg0<
<<E+P7_-@E4fg0l
<mE+P-aRP@E49\n'm77Y737[@0o
!!!<<
!"$"H<<
<J'[9P4<<
<0J'[RP7<<
<<pBm737Phi<l
<@*'h2D)qP0
<l@*'h2DQe-737@E40
<;?/:4Rm7;
<r?4(@45sYr
lr
!"Jtulr
aRb)v4Q@E'lr
=We7Q`7S4@A49w4e@)2Y4@A4RV4xlr
0wy7BmB8)2B8Bm9W7z45(BZ@4@A4RVTlr
0$m74e74@A4RV4xlF
0pBm4@A4RV4xlF
00$m74e74_/{lo
0<@*'7(Y4@A4RV4x;G
0mBm74e7PR(5Y/s4;
<?R/;<
<J/7aB8;<
<0J/e7Q`)2Y4@A4RV4x;
<<J/h'hV7Q|4}7(Y)V;r
lT;o
$"=L;o
M!=!^$~rG
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHỌN,
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1 Tổng quan về sản phẩm
Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sản xuất từ ngành
công nghiệp hóa chất đóng vai trò rất quan trọng và có nhiều ứng dụng rộng rãi. Kali
nitrat (hay còn gọi là diêm tiêu kali) với công thức hóa học KNO
3
, là một trong những
hóa chất thông dụng đó. Với nhiều ứng dụng trong thực tiễn, hiện nay KNO
3
đang được
sản xuất với lượng ngày càng lớn.
Các tính chất cơ bản của KNO
3
:
- Kali nitrat là chất ở dạng những tinh thể tà phương, là muối của axit mạnh và bazơ
mạnh, các phân tử liên kết với nhau bằng lực liên kết ion.
- Kali nitrat ở thể trong suốt, không màu, bền ngoài không khí, tạo ra một ngọn lửa màu
hoa cà khi đốt cháy do sự hiện diện của kali, ít độc, không mùi.
- Kali nitrat không hút ẩm, tan nhiều trong nước và độ tan tăng lên nhanh theo nhiệt độ
nên rất dễ kết tinh lại.
- Khối lượng riêng 2,106 g/cm
3
.
- Nhiệ độ nóng chảy: t
nc
= 336
o
C.
- Khối lượng mol: 101,1032 g/mol.
- Điểm nóng chảy: 334°C.
- Nhiệt độ sôi: t
s
= 400°C.
- Độ tan trong nước: 133 g/l (0°C), 360 g/l (25°C), 2470 g/L (100°C).
- Kali nitrat không tan trong rượu và ete, ít tan trong etanol và glixerin.
- KNO3 có độ bền nhiệt cao, trên 400
0
C thì KNO
3
phân hủy thành muối nitrit và oxi:
2KNO
3
= 2KNO
2
+ O
2
.
- Ở trạng thái nóng chảy KNO
3
là chất oxi hóa mạnh. Nó oxi hóa Mn
2+
đến
2
4
MnO
−
, Cr
3+
đến
2
4
CrO
−
.
Phương pháp điều chế KNO
3
:
- Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa NaNO
3
và KCl:
NaNO
3
+ KCl = KNO
3
+ NaCl
Người ta hòa tan những lượng NaNO
3
và KCl theo tỉ lệ phân tử như nhau vào nước nóng rồi
cho kết tinh NaCl ở nhiệt độ trên 30
0
C. Tách tinh thể NaCl ra và làm nguội dung dịch đến
nhiệt độ dưới 22
0
C để KNO
3
kết tinh.
- Kali nitrat có thể được thực hiện bằng cách kết hợp ammonium nitrate và hydroxit kali .
NH
4
NO
3
+ KOH → NH
3
+ KNO
3
+ H
2
O
- Một cách thay thế sản xuất kali nitrat mà không có một sản phẩm của amoniac là kết hợp
amoni nitrat và kali clorua , dễ dàng có được như là một thay thế muối natri.
NH
4
NO
3
+ KCl → NH
4
Cl + KNO
3
- Kali nitrat cũng có thể được sản xuất bằng cách trung hòa axit nitric với kali hyđroxyt. Phản
ứng này tỏa nhiệt cao.
KOH + HNO
3
→ KNO
3
+ H
2
O
Các ứng dụng của KNO
3
:
- Trong phòng thí nghiệm KNO
3
được dùng để sản xuất axit nitrit là một axit quan trọng
trong công nghiệp.
KNO
3
+ H
2
SO
4
→ KHSO
4
+ HNO
3
.
- Chế tạo thuốc nổ đen với công thức: 75% KNO
3
, 10% S và 5% C. Khi nổ, nó tạo ra muối
kali sunfua, khí nitơ và khí CO
2
:
2KNO
3
+ S + 3C →
to
K
2
S + 3CO
2
+ N
2
.
- Làm phân bón, cung cấp nguyên tố kali và nitơ cho cây trồng.
- Bảo quản thực phẩm trong công nghiệp.
- Điều chế oxi với lượng nhỏ trong phòng thí nghiệm.
- Phụ gia thực phẩm (E252).
- Dùng làm thuốc pháo, nấu thuỷ tinh
- Dùng để thêm vào thuốc lá trước khi được cán để duy trì một thậm chí đốt cháy và được
sử dụng để đảm bảo hoàn thành quá trình đốt cháy của hộp mực giấy cho ổ quay mũ.
- Kali nitrat thường được sử dụng trong xử lý nhiệt kim loại như một dung môi rửa.
1.2. Cơ sở và quá trình cô đặc
1.2.1. Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp làm tăng nồng độ chất tan trong dung dịch bằng cách tách
một phần dung môi sang dạng hơi.
1.2.2. Đặc điểm của quá trình cô đặc
- Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, dung dịch được làm đậm đặc nhờ đun
sôi gọi là quá trình cô đặc. Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách khỏi dung
dịch dưới dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch sẽ không bay hơi, do đó nồng độ dung
dịch sẽ tăng dần lên.
- Hơi của môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là “hơi thứ”, hơi thứ thường có
nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Hơi thứ
được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”.
1.2.3 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 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 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 phải dùng đến máy lạnh.
1.2.4. Bản chất sự cô đặc do nhiệt
Dựa vào thuyết động học phân tử:
- Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử
chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc
phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các
phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
- Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp
nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và
dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo khi
đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khí khi cô đặc.
1.2.5. Ứng dụng của quá trình cô đặc
- Làm tăng nồng độ chất tan (làm đậm đặc).
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh).
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
Trong sản xuất thực phẩm thường dùng để sản xuất đường, mì chính, nước trái cây…
Trong sản xuất hóa chất thường dùng cô đặc KNO
3
, NaOH, KOH, NaCl, các muối vô cơ…
1.2.6. Các thiết bị cô đặc nhiệt
Phân loại và ứng dụng:
* Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá
loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm có:
- Thiết bị có buông đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong
hoặc ngoài.
- Thiết bị có buồng đốt ngoài (không đồng trục buông 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. Nhóm này có ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng
cho dung dịch đặc sệt, có độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm
có:
- Thiết bị có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
- Thiết bị có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
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 quar ép… Gồm có:
- 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 tạo ít bọt
và bọt dễ vỡ.
* Theo phương pháp thực hiện quá trình
- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường
dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và
thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao.
- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100
0
C, áp suất chân
không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì
sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. 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 áp dụng điều khiển tự
động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
1.3. Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình công nghệ
1.3.1. Lựa chọn phương án thiết kế
Theo tính chất của nguyên liệu cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói
trên ta chọn phương án thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc tuần hoàn
cưỡng bức buồng đốt ngoài.
1.3.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Dung dịch ban đầu được chứa ở thùng (1), được bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị
(3). Từ thùng cao vị, dung dịch được đưa điều chỉnh lưu lượng ở lưu lượng kế (4) trước khi
vào hệ thống cô đặc. Sau đó dung dịch được bơm qua thiết bị gia nhiệt (5) để đưa dung dịch
đến nhiệt độ sôi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cô đặc. Tiếp theo, dung dịch đi vào hệ
thống ba nồi cô đặc (6), dung dịch đi qua mỗi nồi có nồng độ tăng dần. Hệ thống sử dụng
hơi nước bão hòa để cấp nhiệt. Dung dịch đi trong ống truyền nhiệt, hơi đi bên ngoài ống.
Hơi thứ của nồi thứ nhất làm hơi đốt cho nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai làm hơi đốt cho
nồi thứ ba. Hơi thứ ra khỏi nổi thứ ba được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (7) – có tác
dụng tạo độ chân không cho hệ thống cô đặc. Dung dịch di chuyển từ nồi đầu đến nồi cuối
nhờ chênh lệch áp suất. Dung dịch sau khi cô đặc được đưa vào bể chứa dung dịch (8).
Sơ đồ công nghệ được cho bên dưới:
1- Bể chứa dung dịch trước khi cô đặc
2- Bơm
3- Thùng cao vị
4- Lưu lượng kế
5- Thiết bị gia nhiệt
6- Nồi cô đặc
7- Baromet tạo chân không
8- Bể chứa dung dịch đã cô đặc
Chương 2
TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
A. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1.1. Số liệu ban đầu :
- Năng suất tính theo dung dịch đầu (tấn/giờ) : 13
- Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng) : 7
- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng) : 32
- Áp suất hơi đốt nồi 1 (at) : 4
- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at) : 0,2
1.2. Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống
- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn bộ hệ thống:
G
đ
= G
c
+ W (1)
Trong đó: + G
đ
, G
c
là lượng dung dịch đầu và lượng dung dịch cuối (kg/h).
+ W lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h).
- Viết cho cấu tử phân bố:
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
+ W.x
w
Trong đó :
x
đ
, x
c
là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra khỏi nồi cuối (% khối lượng).
Xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
(2)
Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:
)−(1=
c
đ
X
X
đ
G W
Theo giả thiết ta có: G
đ
= 13 (tấn/h) = 13000 (kg/h)
X
đ
= 7%
X
c
= 32%
10
Thay vào biểu thức trên ta có:
W = 13000 (1-
7
32
) = 10156,25 (kg/h).
1.3. Xác định nồng độ cuối mỗi nồi
- Ta có: W = W
1
+ W
2
+ W
3
= 10156,25 (kg/h) (3)
Với : W
1
, W
2
, W
3
là lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 1, 2, 3.
Giả sử :
2
1
W
W
= 1,01;
3
2
W
W
= 2,465.
Ta tính được :
1
W
= 4246,347 (kg/h)
2
W
= 4204,304 (kg/h)
3
W
= 1705,600 (kg/h)
- Nồng độ cuối mỗi nồi:
Nồi 1: x
1
= G
đ
1
W
d
d
x
G
−
= 13000.
7
10,396%
13000 4246,347
=
÷
−
Nồi 2: x
2
= G
đ
1 2
( W )
d
d
x
G W
− +
= 13000.
7
20,003%
13000 (4246,347 4204,304)
=
÷
− +
Nồi 3: x
3
= G
đ
W
d
d
x
G
−
= 13000.
7
32%
13000 10156,25
=
÷
−
B. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
2.1.Xác định áp suất trong mỗi nồi
Gọi P
1
, P
2
, P
3
, P
nt
: là áp suất của nồi 1, 2, 3, 4 và thiết bị ngưng tụ.
∆
P
1
: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
∆
P
2
: hiệu số áp suất của nồi 2 so với nồi 3.
∆
P
3
: hiệu số áp suất của nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ.
∆
P: hiệu số áp suất của toàn hệ thống.
Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hoà.
11
Ta có:
∆
P = P
1
- P
nt
= 4 – 0,2 = 3,8 at.
∆
P =
∆
P
1
+
∆
P
2
+
∆
P
3
= 3,8 at.
Giả sử chọn:
2
1
P
P
∆
∆
=
3
2
P
P
∆
∆
= 1,35
Suy ra:
∆
P
1
= 1,659 at;
∆
P
2
= 1,229 at;
∆
P
3
= 0,912 at.
∆
P
1
= P
1
– P
2
⇒
P
2
= P
1
-
∆
P
1
= 4 – 1,659 = 2,341 at.
∆
P
2
= P
2
– P
3
⇒
P
3
= P
2
-
∆
P
2
= 2,341 – 1,229 = 1,112 at.
2.2. Xác định nhiệt độ trong các nồi
Gọi: t
hđ1
, t
hđ2
, t
hđ3
,t
nt
: là nhiệt độ đi vào nồi 1,2,3 và thiết bị ngưng tụ.
t
ht1
, t
ht2
, t
ht3:
là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1,2,3.
Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi trước sang sau là 1
0
C.
t
ht1
= t
hđ2
+ 1
t
ht2
= t
hđ3
+ 1
t
ht3
= t
nt
+ 1
Tra bảng I.250 ST QTTB T1 / Trang 312, I.251, ST QTTB, T1/Trang 314.
Từ các số liệu trên ta có được bảng tổng kết áp suất và nhiệt độ như sau:
Bảng 2.1
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Thiết bị
ngưng tụ
P(at) t(oC) P(at) t(oC) P(at) t(oC) P(at) t(oC)
Hơi đốt 4 142,8 2,341 124,135
1,11
2
101,95
6
0.2 59,7
Hơi thứ 2,377 125,135 1,151 102,956 0,21 60,7
2.3. Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi
1.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (
'
∆
)
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất. Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn
thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.
12
Ta có:
'∆
= t
o
sdd
- t
o
sdmnc
(ở cùng áp suất).
Áp dụng công thức Tiasenco:
r
T
s
o
2
.2,16.''
∆=∆
Trong đó:
T
s
: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ,
o
K.
o
'∆
: tổn thất nhiệt độ do áp suất thường (áp suất khí quyển) gây ra.
r : nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc, J/kg.
Tra bảng VI.2, ST QTTB, T2/Trang 65.
Bảng 2.2
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nồng độ dung dịch % khối lượng 10,396 20,003 32
∆' (
0
C) 0,94 2 3,45
Tra bảng I.250,STQTTB,T1/Trang 312 xác định được nhiệt hóa hơi, ta có bảng sau:
Bảng 2.3
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Áp suất hơi thứ (at)
2,377 1.151 0,21
Nhiệt hóa hơi r (J/kg)
2194,033 2252,701 2355,719
* Với nồi 1:
( )
2
1
1 1
1
16,2. 273
' ' .
ht
o
t
r
+
∆ = ∆
( )
2
1
3
16,2. 125,135 273
' 0,94.
2194,033.10
+
∆ =
=∆
1
'
1,1
o
C.
* Với nồi 2:
( )
2
2
2 2
2
16,2. 273
' ' .
ht
o
t
r
+
∆ = ∆
13
2
2
3
16,2.(102,956 273)
' 2.
2252,701.10
+
∆ = =
2,033
o
C.
* Với nồi 3:
( )
2
3
3 3
3
16,2. 273
' ' .
ht
o
t
r
+
∆ = ∆
( )
2
3
3
16,2. 60,7 273
' 3,45.
2355,719.10
+
∆ =
=∆
3
'
2,642
o
C.
Vậy: Tổng tổn thất do nồng độ trên toàn hệ thống là:
'∆
=
1
'
∆
+
2
'
∆
+
3
'
∆
= 1,1 + 2,033 + 2,642 = 5,775
0
C.
2.3.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (
''∆
)
Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng:
Theo công thức VI.12, STQTTB, T2/Trang 60, ta có:
P
tb
= P
0
+
+∆
2
h
h
ρ
dds
.g (N/m
2
).
Trong đó:
P
0
là áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch.
ρ
dds
là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
.
ρ
dds
= 0,5 ρ
dd.
ρ
dd
là khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi (kg/m
3
).
∆h là chiều cao của lớp dung dịch sôi, ∆h = 0.5 m.
h là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4 m cho cả 3 nồi.
Để tính nhiệt độ sôi của dd KNO
3
ứng với áp suất trung bình ta dùng công thức Babo:
P
P
S
=const
14
Trong đó:
P là áp suất hơi bão hòa trên mặt thoáng của dung dịch (at).
P
s
là áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất (at).
Nồi 1: Ứng với x
1
= 10,396%
⇒
t
sôi
= 100,733
0
C
(Tra bảng I.204, ST QTTB, T1/Trang 236).
P
ht
= 2,377 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,062 at
(Nội suy từ bảng I.250, ST QTTB, T1/Trang 312).
Tra bảng I.46, ST QTTB, T1/Trang 42:
⇒
3 3
1 1
1019,95
1019,95 / 509,975 / .
2
dd ddsoi
kg m kg m
ρ ρ
= → = =
Ta có: P
01
= 2,377 at.
Suy ra:
P
tb1
= 2,377+(0,5+
4
2
)
4
509,975.9,81
9,81.10
=
2,505 at.
K =
s
P
P
=
1
1,062
Mà P = P
tb1
= 2,504 at → P
s
= 2,505.1,062 = 2,661 at.
⇒
t
s1
= 128,388
0
C ( Tra bảng I.251, ST QTTB, T1/Trang 314).
Mà
1
''
∆
= t
tb1
– t
mt1
Với t
mt1
: nhiệt độ mặt thoáng của dung dịch.
t
mt1
=
1
'
∆
+ t
ht1
= 1,1 + 125,135 = 126,235
0
C.
⇒
1
''
∆
= 128,388 – 126,235 = 2,153
0
C.
Nồi 2: Ứng với x
2
= 20,003%
⇒
t
sôi
= 101,651
0
C.
(Tra bảng I.204, ST QTTB, T1/Trang 236).
P
ht
= 1,151 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,099 at
(Nội suy từ bảng I.250, ST QTTB, T1/Trang 312).
Tra bảng I.46, ST QTTB, T1/Trang 42:
15
⇒
3 3
2 2
1081,881
1081,881 / 540,941 / .
2
dd ddsoi
kg m kg m
ρ ρ
= → = =
Ta có: P
02
= 1,151 at.
Suy ra:
P
tb2
= 1,151+(0,5+
4
2
).
4
540,941.9,81
9,81.10
=
1,286 at.
K =
s
P
P
=
1
1,099
Mà P = P
tb2
= 1,286 at → P
s
= 1,286.1,099 = 1,413 at.
⇒
t
s2
= 108,956
0
C. (Tra bảng I.251, ST QTTB, T1/Trang 314).
Mà
2
''
∆
= t
tb2
– t
mt2
Với t
mt2
: nhiệt độ mặt thoáng của dung dịch.
t
mt2
=
2
'
∆
+ t
ht2
= 2,033 + 102,956 = 104,989
0
C.
⇒
2
''
∆
= 108,956 – 104,989 = 3,967
0
C.
Nồi 3: Ứng với x
3
= 32%
⇒
t
sôi
= 102,973
0
C.
(Tra bảng I.204, ST QTTB, T1/Trang 236).
P
ht
= 0,21 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,151 at.
(Nội suy từ bảng I.250, ST QTTB, T1/Trang 312).
Tra bảng I.46, ST QTTB, T1/Trang 42:
⇒
3 3
3 3
1164,54
1164,54 / 582,27 / .
2
dd ddsoi
kg m kg m
ρ ρ
= → = =
Ta có: P
03
= 0,21 at.
Suy ra:
P
tb3
= 0,21 + (0,5 +
4
2
).
4
582,27.9,81
9,81.10
=
0,356 at.
K =
s
P
P
=
1
1,151
Mà P = P
tb3
= 0,356 at → P
s
= 0,356.1,151 = 0,41 at.
⇒
t
s3
= 75,939
0
C. (Tra bảng I.251, ST QTTB, T1/Trang 314).
Mà
3
''
∆
= t
tb3
– t
mt3
16
Với t
mt3
: nhiệt độ mặt thoáng của dung dịch.
t
mt3
=
3
'
∆
+ t
ht3
= 2,642 + 60,7 = 62,342
0
C.
⇒
3
''
∆
= 75,939 – 63,342 = 12,597
0
C.
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn hệ thống:
''
∆
=
1
''
∆
+
2
''
∆
+
3
''
∆
= 2,153 + 3,967 + 12,597 = 18,717
0
C.
2.3.3. Tổn thất do trở lực trên đường ống
)'''(∆
- Nồi 1:
1
''' 1
o
C∆ =
- Nồi 2:
2
''' 1
o
C∆ =
- Nồi 3:
3
''' 2
o
C∆ =
1 2 3
''' ''' ''' ''' 1 1 2 4
o
C→ ∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =
.
Tổn thất cho toàn hệ thống:
' '' ''' 5,775 18,717 4 28,491 .
o
C∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =
2.3.4. Hiệu số nhiệt độ có ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi
Cho từng nồi:
+ Nồi 1:
1 1 2 1
142,9 124,135 (1,1 2,153 1) 14,512 .
o
thi hd hd
t t C∆ = − − ∆ = − − + + =
∑
=∆
1i
t
t
hd1
– t
s1
⇒
t
s1
= t
hd1
-
=∆
1i
t
142,9 – 14,512 = 128,388
0
C.
+ Nồi 2:
2 2 3
2
124,135 101,956 (2,033 3,967 1) 15,179
o
thi hd hd
t t C∆ = − − ∆ = − − + + =
∑
.
=∆
2i
t
t
hd2
– t
s2
⇒
t
s2
= t
hd2
-
=∆
2i
t
124,135 – 15,179 = 108,956
0
C.
+Nồi3:
3 3 3
101,956 59,7 (2,642 12,597 2) 25,017 .
o
thi hd nt
t t C∆ = − − ∆ = − − + + =
∑
.
3i
t
∆ =
t
hd3
– t
s3
⇒
t
s3
= t
hd3
-
3i
t
∆ =
101,956 – 25,017 = 76,939
0
C.
Cho toàn hệ thống:
∑∑
∆−−=∆−=∆
nthdchunghi
ttt
1
142,9 59,7 28,492 54,709 .
o
hi
C∆ = − − =
17
2.4.Cân bằng nhiệt lượng
2.4.1.Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)
Tính nhiệt dung riêng của KNO
3
khan:
Tính nhiệt dung riêng của KNO
3
khan theo công thức I.41/152 - [1]:
M
ct
.C
ht
= n
K
.C
K
+ n
N
.C
N
+ n
O
.C
O
Trong đó:
M
ct
: là khối lượng mol phân tử. M
ct
= 101 g/mol.
C
ht
: Nhiệt dung riêng của KNO
3
khan.
N
K
, n
N
, P: số nguyên tử K, N và oxy trong hợp chất KNO
3.
C
K,
C
N
, C
Cl
: nhiệt dung riêng của các nguyên tố K, N, O.
Theo bảng I141/152 – [1] ta có: C
K
= C
N
= 26000 J/kg.độ.
C
O
= 16800 J/kg.độ.
=> (39 + 14 + 16.3) .C
ht
= 1. 26000 + 1.26000 + 23.16800
→ C
ht
=
1.26000 1.26000 3.16800
1013,861
39 14 16.3
+ +
=
+ +
J/kg.độ.
Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:
Vì x
đ
= 7% < 20% nên áp dụng công thức I.43/152–[1]:
C
0
= 4186.(1-x) → C
0
= 4186.(1 - 7%) = 3892,98 J/kg.độ.
- Nồi 1: Ta có x= 10,396% < 20% nên áp dụng CT I.43/152–[1]:
C
1
= 4186.(1-x
1
) → C
1
= 4186.(1 – 10,396%) = 3750,823 J/kg.độ.
- Nồi 2: x
2
= 20,003% > 20% nên áp dụng CT I.44/152-[1]:
C
2
= C
ht
.x
2
+ 4186.(1-x
2
) → C
2
= 1031,861.20,003% + 4186.(1 – 20,003%)
= 4551,482 J/kg.độ.
- Nồi 3: x
3
= 32% > 20% nên áp dụng CT I.44/152-[1]:
C
3
= C
ht
.x
3
+ 4186.(1-x
3
) → C
3
= 1013,861.32% + 4186.(1 – 32%)
= 3170,916 J/kg.độ.
2.4.2.Tính nhiệt lượng riêng
18
I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg).
i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg).
(Tra bảng I.249 ST QTTB, T1/Trang 310, bảng I.250, ST QTTB, T1/Trang 312)
Bảng 2.4
Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
t(°C)
I*10
-3
(J/kg)
C
n
(J/kg.độ)
t(°C)
i*10
-3
(J/kg)
C
(J/kg)
t
s
(°C)
Nồi 1
142,900 2744,060 4365,25 125,135 2719,189 3750,838 128,388
Nồi 2
124,135 2716,189 4256,616 102,956 2683,730 3511,482 108,956
Nồi 3
101,956 2682,130 4222,543 60,700 2609,588 3170,916 75,939
2.4.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Gọi : D
1
, D
2
, D
3
: là lượng hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h).
+ G
đ
, G
c
: là lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h).
+ W
1
,W
2
, W
3
: là
lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h).
+ C
đ
, C
c
: là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg độ).
+ t
đ
, t
c
: là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (
0
C).
+ I
1
, I
2
, I
3
: là hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg).
+ i
1
, i
2
, i
3
: là hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg).
+ C
n1
,C
n2
, C
n3
: là
nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 và
nồi 3 (J/kg độ).
+
1 2 3
, ,
θ θ θ
: là nhiệt độ của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (
0
C)
+ Q
tt1
, Q
tt2
, Q
tt3
: là nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1, nồi 2 và
nồi 3(W).
19
Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi:
Bảng 2.5
Nồi 1
Vào
Hơi đốt mang vào D
1.
I
1
Dung dịch đầu mang vào G
đ
.C
đ
.t
đ
Ra
Hơi thứ mang ra W
1.
i
1
Dung dịch mang ra (G
đ
– W
1
).C
1
t
s1
Hơi nước ngưng tụ mang ra
D
1
.C
n1
.
1
θ
Tổn thất chung 1
Q
tt1
= 0,05.D
1
.(I
1
- C
n1
.
1
θ
)
Nồi 2
Vào
Hơi đốt mang vào D
2
.I
2
= W
1
.i
1
Dung dịch ở nồi 1 mang vào (G
đ
- W
1
).C
1
.t
s1
Ra
Hơi thứ mang ra W
2
.i
2
Dung dịch mang ra (G
đ
- W
1
– W
2
).C
2
.ts2
Hơi nước ngưng tụ mang ra
D
2
.C
n2
.
2
θ
= W
1
.C
n2
.
2
θ
Tổn thất chung 2
Q
tt2
= 0,05.D
2
.(I
2
- C
n2
.
2
θ
)
Nồi 3
Vào
Hơi đốt mang vào D
3
.I
3
= W
2
.i
2
Dung dịch ở nồi 2 mang vào (G
đ
- W
1
– W
2
).C
2
.t
s2
Ra
Hơi thứ mang ra W
3
.i
3
Dung dịch mang ra (G
đ
- W).C
3
t
s3
Hơi nước ngưng tụ mang ra
D
3
.C
n3
.
3
θ
= W
2
.C
n3
.
3
θ
Tổn thất chung 3
Q
tt3
= 0,05.D
3
.(I
3
- C
n3
.
3
θ
)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
∑
Q
vào
=
∑
Q
ra
20
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1:
D
1
I
1
+ G
đ
.C
đ
.t
đ
= W
1
i
1
+ ( G
đ
– W
1
)C
1
t
s1
+ D
1
C
n1
1
θ
+ 0,05D
1
(I
1
- C
n1
1
θ
)
⇔
0,95D
1
(I
1
– C
n1
θ
1
) + W
1
(C
1
t
s1
-i
1
) = G
đ
(C
1
t
s1
– C
đ
t
đ
) (1)
Nồi 2:
W
1
I
1
+ (G
đ
–W
1
).C
2
.t
s2
= W
2
i
2
+ (G
đ
-W
1
– W
2
).C
2
t
s2
+ W
1
C
n2
2
θ
+ 0,05W
1
(I
2
-C
n2
2
θ
)
⇔
W
1
(0,95i
1
– C
1
t
s1
+ C
2
t
s2
– 0,95C
n2
θ
2
) + W
2
(C
2
t
s2
– i
2
) = G
đ
(C
2
t
s2
– C
1
t
s1
) (2)
Nồi 3:
W
2
.I
2
+ (G
đ
-W
1
-W
2
).C
3
.t
s3
= W
3
i
3
+ (G
đ
-W).C
3
t
s3
+ W
2
C
n3
3
θ
+ 0,05D
3
(I
3
- C
n3
3
θ
)
⇔
W
1
C
2
t
s2
+ W
2
(0,95i
2
- C
2
t
s2
- 0,95C
n3
θ
3
) - W
3
i
3
= G
đ
(C
2
t
s2
-C
3
t
s3
) – W.C
3
t
s3
(3)
Với: D
2
= W
1
, D
3
= W
2
,
1
θ
= t
hđ1
,
2
θ
= t
hđ2
,
3
θ
= t
hđ3
W = W
1
+W
2
+W
3
(4)
Với các số liệu đã tính được ở trên ta tính được:
⇒
W
1
= 4201,850 kg/h.
⇒
W
2
= 4169,971 kg/h.
⇒
W
3
= 1784,429 kg/h.
Thay W
1
vừa tìm được vào (1) ta tính được:
D
1
= 4621,604 kg/h.
Tính sai số :
+ Nồi 1:
η
1
=
4201,850 - 4246,347
4201,850
.100%
≈
1,059% < 5%
+ Nồi 2:
η
2
=
4169,971 4204,304
4169,971
−
.100%
≈
0,823% < 5%
+ Nồi 3:
21
η
3
=
1784,429 1705,600
1784,429
−
.100%
≈
4,418% < 5%
⇒
x
1
= G
đ
1
W
d
d
x
G
−
= 13000.
7
13000 4201,85
÷
−
= 10,343%.
⇒
x
2
= G
đ
1 2
(W W )
d
d
x
G − +
= 13000.
7
13000 (4201,85 4169,971)
÷
− +
= 19,662%.
⇒
x
3
= G
đ
1 2 3
( W )
d
d
x
G W W
− + +
= 13000.
7
13000 (4201,85 4169,971 1784,429)
÷
− + +
= 32%.
C. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT
Xác định các thông số cơ bản của dung dịch
3.1. Độ nhớt (
µ
)
Sử dụng công thức Paplov I.17, ST QTTB, T1/Trang 85:
k
tt
=
−
−
21
21
θθ
=const
Trong đó : t
1
, t
2
là nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là
21
,
µµ
21
,
θθ
nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là
21
,
µµ
+ Nồi 1:
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ là x
1
= 10,343%
Chọn t
1
= 50
o
C, ta có
1
µ
= 0,581. 10
-3
N.s/m
2
⇒
1
θ
= 46,743
0
C.
t
2
= 60
o
C, ta có
2
µ
= 0,501. 10
-3
N.s/m
2
⇒
2
θ
= 55,71
0
C.
Tra
1
µ
,
2
µ
dựa vào bảng I.112,STQTTB,T1/Trang 114.
22
Tra
1
θ
,
2
θ
dựa vào bảng I.102,STQTTB,T1/Trang 94.
⇒
k=
1 2
1 2
50 60
1,115
46,743 55,71
t t
θ θ
− −
= =
− −
Từ đó ta có :
1 2
2
128,388-60
55,71 117,03
1,115
o
s
s
t t
C
k
θ θ
−
= + = + =
⇒
3
1
0,032.10
s
µ
−
=
N.s/m
2
.
+ Nồi 2:
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x
2
= 20,003%
Chọn t
1
= 40
o
C, ta có
µ
1
= 0,6.10
-3
N.s/m
2
⇒
θ
1
= 44,889
o
C.
t
2
= 50
o
C, ta có
µ
2
= 0,53.10
-3
N.s/m
2
⇒
θ
2
= 52,173
o
C.
⇒
k =
1 2
1 2
40 50
1,373
44,889 52,173
t t
θ θ
− −
= =
− −
Từ đó ta có:
2 2
2
108,956-50
52,173 95,115
1,373
o
s
s
t t
C
k
θ θ
−
= + = + =
⇒
3
2
0,072.10
s
µ
−
=
N.s/m
2
.
+ Nồi 3:
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x
2
= 32%
Chọn t
1
= 30
o
C, ta có
µ
1
= 0,906.10
-3
N.s/m
2
⇒
θ
1
= 24,4
o
C.
t
2
=40
o
C, ta có
µ
2
= 0,724.10
-3
N.s/m
2
⇒
θ
2
= 34,897
o
C.
⇒
k =
1 2
1 2
30 40
0,953
24,4 34,897
t t
θ θ
− −
= =
− −
Từ đó ta có:
2 2
2
75,93940
25,894 72,623
0,953
o
s
s
t t
C
k
θ θ
−
= + = + =
⇒
3
2
1,68.10
s
µ
−
=
N.s/m
2
.
3.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ( λ )
3
M
CA
pdd
ρ
ρλ
=
(W/m.độ) (Công thức I.32, ST QTTB, T1/Trang 123)
23
Với :
A:hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước.
C
p
: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ)
ρ
: khối lượng riêng (kg/m
3
)
M: khối lượng mol của chất lỏng.
Chọn A = 3,58.10
-8
Tính nhiệt dung riêng theo nồng độ mới:
-Nồi 1: Ta có x = 10,343% < 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[1]:
C
1
= 4186.(1-x) → C
1
= 4186.(1 – 10,343%) = 3753,042 J/kg.độ.
-Nồi 2: x
2
= 19,662% < 20% nên:
C
2
= 4186.(1-x) → C
2
= 4186.(1 – 19,662%) = 3362,949 J/kg.độ.
-Nồi 3 : x
3
= 32% > 20%
C
3
= C
ht
.x + 4186.(1-x) → C
3
= 1013,861.32% + 4186.(1 – 32%)
= 3791,912 J/kg.độ.
Ta có : M = m
i
.M
dd
+ (1-m
i
).M
nước
Mà :
OH
i
đ
i
dd
i
i
MM
M
m
2
x1x
x
−
+
=
Vậy
* Nồi 1: m
1
=
10,343%
101
10,343% 1 10,343%
101 18
=
−
+
0,020
⇒
M
1
= 0,020.101 + (1 - 0,02).18 = 19,681
⇒
λ
1
= 3,58.10
-8
. 3750,838 . 1019,95 .
3
1019,95
19,681
=
0,511 W/m.độ.
24
* Nồi 2: m
2
=
20,003%
101
20,003% 1 20,003%
101 18
=
−
+
0,043
⇒
M
2
= 0,043.101 + (1 - 0,043).18 = 21,541
⇒
λ
2
= 3,58.10
-8
. 3574,48.1081,881.
3
1081,881
21,541
=
0,511 W/m.độ.
* Nồi 3: m
3
=
32%
101
32% 1 32%
101 18
=
−
+
0,077
⇒
M
3
= 0,077.101 + (1 - 0,077). 18 = 24,422
⇒
λ
3
= 3,58.10
-8
. 3170,916.1164,54.
3
1164,54
24,422
=
0,479 W/m.độ.
3.3. Hệ số cấp nhiệt (
α
)
3.3.1. Về phía hơi ngưng tụ (
1( )i
α
)
4
1( )
2,04. .
. ( )
i
r
A
H t i
α
=
∆
(Công thức V.100, ST QTTB, T2/Trang 28)
Với r : ẩn nhiệt ngưng (J/kg).
H : chiều cao ống truyền nhiệt (chọn H = 4m).
4
2
.
µ
λρ
=A
: là hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng t
m
.
t
m
= 0,5(t
T1
+ t
hđ
)
∆
t
1(i)
= t
hđ
- t
T1(i)
Nồi 1: Chọn
∆
t
11
= 1,82
o
C.
⇒
t
T11
= t
hd1
-
∆
t
11
=142,9 – 1,82 = 141,08
o
C.
⇒
t
m1
= 0,5.(141,08 + 142,9) = 141,99
o
C.
Tra ST QTTB,T2/Trang 29 ta có: A
1
= 194,309
Từ t
hđ1
= 142,9
o
C ta có r
1
= 2135,5.10
3
J/kg. (Tra bảng I.250, ST QTTB, T1/Trang 312).
25
