Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng CaCl2 từ 7% lên 34%
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (359.19 KB, 56 trang )
Đồ án QTTB
CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Bộ môn: Công nghệ sau thu hoạch o0o
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ
Ngành: Công nghệ Thực Phẩm
1/ Tên đề tài:
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều.
Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng.
Cô đặc dung dịch CaCl
2
2/ Các số liệu ban đầu:
- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 9
- Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 7
- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng) 34
- Ap suất hơi đốt nồi 1 (at): 4
- Ap suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,2
3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
- Đặt vấn đề
- Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết
kế.
- Chương II:Tính toán công nghệ thiết bị chính.
- Chương III:Tính và chọn thiết bị phụ: Thiết bị Baromet, bơm chân không, bơm
dung dịch, thiết bị gia nhiệt.
- Chương IV: Kết luận.
- Tài liệu tham khảo
4/ Các bản vễ và đồ thị (ghi rõ các loại bản và kích thước các loại bản vẽ):
- 1 bản vẽ hệ thống thiết bị chính, khổ A1 và A3 đính kèm trong bản thuyết minh.
- 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1.
MỤC LỤC
PHẦN 1:
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1/ Tổng quan về sản phẩm.
1.2/ Phương pháp điều chế.
1.3/ Cô đặc.
1.4/ Phương án.
1.5/ Quy trình công nghệ.
1.5.1/ Quy trình công nghệ.
1.5.2/ Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc.
PHẦN 2 :
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT, THIẾT BỊ CHÍNH VÀ THIẾT BỊ PHỤ
CHƯƠNG 1:
TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
2.1.1/ TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
2.1.1.1/ TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU
2.1.1.1.1/ Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W).
2.1.1.1.2/ Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi.
2.1.1.2/ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
2.1.1.2.1/ Xác định áp suất của mỗi nồi.
2.1.1.2.2/ Xác định nhiệt độ trong các nồi.
2.1.1.2.3/ Xác định tổn thất nhiệt độ.
2.1.1.2.3.1/ Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra (∆’).
2.1.1.2.3.2/ Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆”).
2.1.1.2.3.3/ Tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống (∆”’).
2.1.1.2.3.4/ Tổn thất do toàn bộ hệ thống.
2.1.1.2.3.5/ Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi.
2.1.1.2.4/ Cân bằng nhiệt lượng.
2.1.1.2.4.1/ Tính nhiệt lượng riêng.
2.1.1.2.4.2/ Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ).
2.1.1.3/ TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT ( ∑F )
2.1.1.3.1/ Độ nhớt (µ).
2.1.1.3.2/ Hệ số truyền nhiệt của dung dịch.
2.1.1.3.3/ Hệ số cấp nhiệt α.
2.1.1.3.3.1/ Về phía hơi ngưng tụ α
1
2.1.1.3.3.2/ Về phía dung dịch sôi α
2
2.1.1.3.4/ Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi.
2.1.2/ THIẾT KẾ CHÍNH
2.1.2.1/ BUỒNG ĐỐT
2.1.2.1.1/ Tính số ống truyền nhiệt.
2.1.2.2/ BUỒNG BỐC:
2.1.2.2.1/ Đường kính buồng bốc.
2.1.2.2.2/ Chiều cao buồng bốc hơi.
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
2.1.2.3/ ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN:
2.1.2.3.1/ Đường kính ống dẫn hơi đốt.
2.1.2.3.2/ Đường kính ống dẫn hơi thứ.
2.1.2.3.3/ Đường kính ống dẫn dung dịch đầu vào thiết bị gia nhiệt.
2.1.2.3.4/ Đường kính ống dẫn dung dịch từ.
2.1.2.3.4.1/ Nồi gia nhiệt sang nồi 1.
2.1.2.3.4.2/ Nồi 1sang nồi 2.
2.1.2.3.5/ Đường kính ống tháo nước ngưng.
2.1.2.3.6/ Đường kính ống tuần hoàn ngoài.
2.1.2.4/ BỀ DÀY VĨ ỐNG:
2.1.2.5/ BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT:
2.1.2.5.1/ Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn.
2.1.2.5.1.1/ Ống dẫn hơi đốt.
2.1.2.5.1.2/ Ống dẫn hơi thứ.
2.1.2.5.1.3/ Ống dẫn dung dịch.
2.1.2.5.1.4/ Ống tuần hoàn ngoài.
2.1.2.5.1.5/ Bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị.
2.1.2.6/ CHỌN MẶT BÍCH:
2.1.2.6.1/ Buồng đốt.
2.1.2.6.2/ Buồng bốc.
2.1.2.7/CHỌN TAI TREO BUỒNG ĐỐT VÀ CHÂN ĐỠ BUỒNG BỐC
2.1.2.7.1/Tai treo buồng đốt:
2.1.2.7.1.1/Bề dày đáy và nắp buồng đốt
2.1.2.7.1.2/Bề dày thân buồng đốt
2.1.2.7.1.3/ Khối lượng lớp cách nhiệt
2.1.2.7.1.4/ Khối lượng cột chất lỏng
2.1.2.7.1.5/ Khối lượng ống truyền nhiệt
2.1.2.7.1.6/ Khối lượng vĩ ống
2.1.2.7.1.7/ Khối lượng bích buồng đốt
2.1.2.7.2/ Chân đỡ buồng bốc
2.1.2.7.2.1/Bề dày nắp buồng bốc
2.1.2.7.2.2/Bề dày đáy buồng bốc
2.1.2.7.2.3/ Bề dày buồng bốc
2.1.2.7.2.4/ Khối lượng lớp cách nhiệt
2.1.2.7.2.5/ Khối lượng cột hơi
2.1.2.7.2.6/ Khối lượng bích buồng bốc
CHƯƠNG 2:
THIẾT BỊ PHỤ
2.2.1/ CÂN BẰNG VẬT LIỆU:
2.2.1.1/ Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ.
2.2.1.2/ Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị.
2.2.2.2/ Kích thước tấm ngăn.
2.2.2.3/ Chiều cao của thiết bị ngưng tụ.
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
2.2.2.4/ Tính kích thước của ống Baromet.
2.2.3/ CHỌN BƠM:
2.2.3.1/ Bơm chân không.
2.2.3.2/ Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ.
2.2.3.3/ Bơm dung dịch lên thùng cao vị.
PHẦN 3:
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHẦN 1:
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1/ Tổng quan về sản phẩm:
Một số tính chất hóa lý đặc trưng về sản phẩm: Clorua canxi hay Canxi Clorua
(CaCl
2
), là hợp chất ion của canxi và clo.Canxiclorua tan nhiều trong nước , dung
dịch bão hòa sôi ở 180
0
C. Trong các dung dịch có nồng độ khác nhau thì nhiệt độ
sôi, nhiệt độ đông đặc thay đổi. Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn. Khi hòa tan trong
nước tan rất tốt kèm theo toả nhiều nhiệt, dung dịch có vị mặn đắng.
Bảng 1.1: Các tính chất của CaCl
2
Công thức phân tử CaCl
2
Khối lượng phân tử 110,99 (g/mol) (khan)
Bề ngoài Rắn trắng hay không màu
Khối lượng riêng 2152 - 2512 kg/m3 (khan)
Điểm chảy 772 °C (khan)
Điểm sôi >1.600 °C
Độ hòa tan vào nước 74,5 g/100 ml (20 °C)
Ứng dụng :
- Canxiclorua khan dùng cho điện phân sản xuất canxi kim loại và điều chế các hợp
kim của canxi
- Với tính hút ẩm lớn của canxiclorua cho phép dùng nó làm tác nhân sấy khí và các
chất lỏng .
- Nhiệt độ đông đặc thấp của các dung dịch CaCl2 cho phép chúng làm chất tải lạnh
trong các hệ thống lạnh Để giảm bớt tính ăn mòn của CaCl2 thường bổ sung xôđa,
sữa vôi và các Crômát, Bicromát .
- Do áp suất hơi thấp của các hyđrát và các dung dịch nước Canxiclorua nên được
dùng để hạn chế bụi đường xá.
- Canxiclorua còn dùng để diệt cỏ trên đường sắt , chất keo tụ trong hóa dược và
dược phẩm .
Được dùng rất nhiều trong công việc khoan dầu khí .
1.2/Phương pháp điều chế:
Chất này có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đối với việc sản xuất sản lượng lớn thì
người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của công nghệ Solvay.Bột Canxiclorua
khan thu được khi phun sấy ở nhiệt độ cao hơn 260
0
C.
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
Phản ứng:
Ca(OH)
2
+ HCl = CaCl
2
+ H
2
O
1.3/ Cô đặc:
1.3.1 Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng
cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi.
1.3.2 Đặc điểm của quá trình cô đặc
- Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ
đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách
khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do
đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá
trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ
trong hỗn hợp.
- Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước gọi là
“hơi thứ”-thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hoá hơi lớn có nên được sử dụng làm hơi
đốt cho các nồi cô đặc. Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là
“hơi phụ”.
1.3.3 Ứng dụng của cô đặc
- Làm tăng nồng độ chất tan (làm đậm đặc).
- Tách chất rắn hoà tan ở dạng tinh thể (kết tinh).
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
1.3.4 Các phương pháp cô đặc
- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi
làm việc gián đoạn hay liên tục.
+ Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng yêu
cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi
đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại
cho dung dịch mới để cô.
+ Khi cô đặc liên tục: dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được
lấy ra liên tục.
- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất(áp suất chân không,
áp suất thường hay áp suất dư) tuỳ theo yêu câu kỹ thuật và sản phẩm cô đặc để lựa
chọn áp suất làm việc thích hợp trong quá trình cô đặc.
+ Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị
phân huỷ vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi
trung bình của dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đến giảm bề mặt truyền
nhiệt. Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
tận dụng nhiệt thừa của các quá trình khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho quá trình cô
đặc.
+ Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không
bị phân huỷ ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô
đặc và cho các quá trình đun nóng khác.
+ Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà thải ra ngoài môi
trường. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trên thực tế, trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp
suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không.
1.3.5 Các thiết bị cô đặc
1.3.5.1 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
Đây là loại thiết bị có phần dưới là phòng đốt, trong đó có ống truyền nhiệt và ống
tuần hoàn tương đối lớn, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống
phía ngoài ống. Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp
hơi-lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn
trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn
so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn. Vì vậy, khối lượng
riêng của hỗn hợp hơi-lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống
dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong
ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
- Ưu điểm:
+ Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa va làm sạch.
- Nhược điểm:
+ Vận tốc tuần hoàn nhỏ (không quá 1,5m/s) và bị giảm do ống tuần
hoàn cũng bị đun nóng.
- Ứng dụng:
+ Dùng để cô đặc dung dịch nhớt và dung dịch tạo thành váng, cặn.
1.3.5.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo
Là loại thiết bị có phòng đốt đặt giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa
phòng đốt và vỏ đóng vai trò là ống tuần hoàn.
- Ưu điểm:
+ Phòng đốt có thể lấy ra ngoài khi cần sửa chửa, làm sạch.
+ Vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng.
- Nhược điểm:
+ Cấu tạo phức tạp và có kích thước lớn.
- Ứng dụng:
+ Dùng để cô đặc dung dịch kết tinh.
1.3.5.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
a. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng
Dung dịch đi vào buồng đốt ở bên ngoài đặt đứng, dung dịch được bốc hơi ở buồng
bốc, hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt.
- Ưu điểm:
+ Cường độ tuần hoàn, cường độ bốc hơi lớn.
+ Có thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trình
sửa chửa, làm sạch mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục.
- Nhược điểm:
+ Buồng đốt đứng nên thiết bị cao.
+ Việc xử lý điều khiển khó khăn.
b. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang
Loại này có phòng đốt là thiết bị hình chữ U. Dung dịch ở nhánh dưới của ống
truyền nhiệt chuyển động từ trái sang phải còn ở nhánh trên thì từ phải qua trái.
- Ưu điểm:
+ Buồng đốt được gắn vào một chiếc xe nhỏ dễ dàng tách ra sửa chửa, làm
sạch.
+ Cường độ tuần hoàn lớn.
1.3.5.4 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
Dung dịch đi vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn rồi đi ra phía dưới của phòng bốc,
còn phần chính thì về lại trộn với dung dịch đầu .
- Ưu điểm:
+ Hệ số cấp nhiệt (
α
) lớn.
+ Làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3-5
o
C)
+ Giảm được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt.
+ Có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt cao.
- Nhược điểm:
+ Tốn nhiều năng lượng cho bơm.
- Ứng dụng:
+ Dùng để cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn, cường độ bay hơi lớn.
1.3.5.5 Thiết bị cô đặc loại màng
Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới
lên trên. Phòng đốt là thiết bị loại ống chùm dung dịch đi trong ống còn hơi đốt đi
ngoài ống. Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên kéo theo
màng chất lỏng và tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch lên đến miệng là đạt được
nồng độ cần thiết.
- Ưu điểm:
+ Áp suất thuỷ tĩnh nhỏ nên tổn thất thuỷ tĩnh bé.
- Nhược điểm:
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
+ Khó làm sạch vì ống dài.
+ Khó điều chỉnh áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi.
+ Không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh.
1.3.5.6 Thiết bị cô đặc có vành chất lỏng
Thiết bị này gồm phòng đốt, phía trên phòng đốt là phòng sôi. Trên phòng sôi là
những tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những khe hình vành khăn, từ phòng
sôi hỗn hợp hơi-lỏng đi lên phòng bốc hơi. Hơi thứ đi lên ra ngoài, dung dịch còn
lại đi xuống phòng đốt phần kết tinh lắng xuống đáy. Phòng đốt có tác dụng nung
nóng dung dịch không có tác dụng sôi. Dung dịch chỉ sôi khi đi vào các tấm ngăn.
- Ưu điểm:
+ Vận tốc tuần hoàn lớn (đến 3m/s)
+ Thiết bị ít bám cặn.
- Nhược điểm:
+ Cấu tạo thiết bị phức tạp.
- Ứng dụng:
+ Sử dụng cô đặc dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn.
1.3.5.7 Thiết bị cô đặc loại rôto
Thiết bị có rôto quay, có bao hơi, các cánh lắp vào trục thẳng đứng. Dung dịch đầu
đưa vào bên trên thiết bị, có cánh quay, dưới tác dụng của ly tâm chất lỏng văng ra
thành thiết bị và chuyển động xoáy. Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được nung
nóng bởi bao hơi. Hơi thứ được đưa lên phía trên rồi ra ngoài còn sản phẩm được
tháo ra qua đáy thiết bị.
- Ưu điểm:
+ Cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ.
+ Có thể cô đặc dung dịch dạng keo, đặc sệt.
- Nhược điểm:
+ Cấu tạo, gia công phức tạp, giá thành cao.
1.3.5.8 Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa về mặt
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 vào đun nồi
thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được vào đun nồi thứ ba… hơi thứ của nồi cuối
cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi
kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch 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
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
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, vì nếu
ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì được 1kg hơi thứ, như vậy 1kg hơi
đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ
thống cô đặc nhiều nồi, hay nói cách khác là lượng hơi đốt dùng để làm bốc 1kg hơi
thứ tỷ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ khi cô đặc hai nồi: 1kg hơi đốt vào nồi đầu làm
bốc hơi 1kg hơi thứ trong nồi đầu, 1kg hơi thứ này đưa vào đốt nóng nồi sau cũng
bốc hơi 1kg hơi thứ nữa, như vậy đối với hai nồi ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi
đốt tính theo 1kg hơi thứ là 0,5kg.
Tuy nhiên số nồi không thể vô hạn vì khi số nồi tăng thì tổn thất nhiệt độ
Σ∆
tăng
làm cho hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi, do đó, bề mặt truyền nhiệt càng tăng nhanh;
nghĩa là khi số nồi tăng thì chi phí thiết bị (chế tạo, sửa chửa, lắp ghép, hao mòn…)
sẽ tăng nhanh. Mặt khác, muốn đảm bảo quá trình làm việc ta phải có điều kiện:
Σ∆
T =
∆
T -
Σ∆
> 0
Giới hạn đối với mỗi nồi là 5
÷
7
o
C
Dựa vào đồ thị của mối quan hệ giữa chi phí về thiết bị, chi phí về hơi đốt và chi phí
chung thì số nồi thích hợp của quá trình cô đặc nhiều nồi là 2
÷
4 nồi.
Sơ đồ công nghệ ( bản vẽ A
3
)
1.4/Phương án.
Tập đồ án này thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều.Thiết bị cô đặc buồng
đốt ngoài kiểu đứng cô đặc dung dịch CaCl
2
có nồng độ đầu 7% đến nồng độ cuối
34%. Năng suất tính theo dung dịch đầu là 9 tấn/ giờ.
1.5/ Quy trình công nghệ.
Quá trình cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài ở trên là quá trình sử dụng
hơi thứ thay cho hơi đốt. Dung dịch ban đầu trong thùng chứa(14) được bơm ly tâm
(15) bơm lên thùng cao vị (1) qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế
sau đó vào thiết bị đun nóng (2). Tại thiết bị gia nhiệt (2) dung dịch được gia nhiệt
đến nhiệt độ sôi của nồi 2. Dung dịch sau đó được đưa vào buồng đốt ngoài (6) của
nồi 2. Tại nồi 2 dung dịch CaCl
2
bốc hơi một phần tại buồng bốc (5), hơi thứ thoát
lên qua thiết bị ngưng tụ (7), được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được
bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt. Còn sản phẩm được
bơm vào nồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc, khi đến nồng độ yêu cầu thì được đưa ra
ngoài vào bể chứa sản phẩm(12).
Ở nồi 1 hơi đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơi thứ
của nồi 1.
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
PHẦN 2:
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT, THIẾT BỊ CHÍNH
VÀ THIẾT BỊ PHỤ
CHƯƠNG 1:
TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
2.1.1/ TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ:
2.1.1.1/ TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU:
2.1.1.1.1 /Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W):
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
G
đ
=G
c
+ W (1)
Trong đó:
G
đ
, G
c
: lưu lượng đi vào, đi ra khỏi thiết bị (kg/h)
W:lượng hơi thứ đi ra khỏi thiết bị (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
: nồng độ đầu, cuối của dung dịch (%khối lượng).
Xem lượng hơi thứ không mất mát, ta có:
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
(2)
Vậy, lượng hơi bốc ra của toàn hệ thống được xác định:
W = G
đ
−
xc
xđ
1
Theo giả thiết, ta có: G
đ
=9 (tấn/h) = 9000 (kg/h).
x
đ
=
7%
x
c
= 34%
Thay vào, ta có: W = 9000
−
34
7
1
=7147,059 (kg/h)
2.1.1.1.2 /Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi:
Ta có: W = W
1
+ W
2
Trong đó: W
1
, W
2
: lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2 (kg/h).
Lượng hơi bốc ra ở mỗi nồi là khác nhau, giả sử cho:
W
W
2
1
= 1,1
Vậy ta tính được:
W
1
= 3743,698 (kg/h)
W
2
= 3403,361(kg/h)
Nồi 1: x
1
= G
đ
WGđ
xđ
−
= 9000
059,71479000
7
−
=34%(khối lượng)
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
Nồi 2: x
2
=G
đ
1WGđ
xđ
−
=9000
698,37439000
7
−
=11,986%(khối lượng)
2.1.1.2/ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:
2.1.1.2.1/Xác định áp suất của mỗi nồi:
Gọi P
1
, P
2
, P
nt
, P
hđ1
,P
ht1
:là áp suất ở nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ,áp suất hơi đốt nồi
1, áp suất hơi thứ nồi 1.
∆P
1
: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
∆P
2
: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị nhưng 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
hòa.
Ta có: ∆P = ∆P
1
+ ∆P
2
= P
hđ1
–P
nt
= 4- 0,2=3,8 (at)
Giả sử chọn:
2
2
1
=
∆
∆
P
P
Suy ra:
∆P
1
= 2,553(at)
∆P
2
= 1,267 (at)
Mặt khác: ∆P
1
=P
hđ1
– P
ht1
= 2,553 (at)
Suy ra: P
ht1
= P
hđ1
- ∆P
1
= 4 – 2,553 =1,467 (at)
2.1.1.2.2/ Xác định nhiệt độ trong các nồi:
Gọi: t
hđ1,
t
hđ2 ,
t
nt
:nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ.
t
ht1,
t
ht2 :
nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2.
Giả sử tổn thất nhiệt độ do trở lực trên đường ống gây ra khi chuyển từ nồi 1
sang nồi 2 là 1
0
C.
t
ht1
= t
hđ2
+ 1
t
ht2
= t
nt
+ 1
Tra bảng I.250, STQTTB, T1/Trang 312.
I.251, STQTTB, T1/Trang 314.
Bảng 2.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi:
Nồi 1 Nồi 2
thiết bị ngưng
tụ
P(at) t(
0
C) P(at) t(
0
C) P(at) t(
0
C)
Hơi
đốt
4,000 142,900 1.417
109.04
0
0,200
0
59,7
Hơi
thứ
1,467 110,040 0,210 60,700
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
2.1.1.2.3 /Xác định tổn thất nhiệt độ:
2.1.1.2.3.1 Tổn thất nhiệt độ 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.
Ta có:
∆
’
= t
0
sdd
- t
0
sdmnc
(ở cùng áp suất).
Áp dụng công thức của Tasenco:
∆’ = ∆’
o
. f
Ở đây:
∆’
o
:Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường.
f : Hệ số hiệu chính vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp
suất thường.
f
i
i
r
t
2
)'273(
2.16
+
=
t
i
’
: nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i
r
i
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ t
i
’
.
Bảng 2.2:Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/ trang 66.
Nồi 1 Nồi 2
∆’
o
(
0
C)
13,5 1,748
Bảng 2.3: Tra bảng I.251,STQTTB,T1/Trang 314:
Nồi 1 Nồi 2
Áp suất hơi thứ(at) 1,467 0,210
Nhiệt hóa hơi r(J/kg) 2233,703.10
3
2355,345.10
3
+ Nồi 1:
∆
1
’ = ∆’
o
.
i
i
r
t
2
)'273(
2.16
+
=13,5.
3
2
10.103.703,2233
)04,110273(
2.16
+
=14,365(
0
C)
+ Nồi 2:
∆
2
’ = ∆’
o
.
i
i
r
t
2
)'273(
2.16
+
=1,748.
3
2
10.345,2355
)7,60273(
2.16
+
=1,339(
0
C)
Vậy ∆’ = ∆
1
’ + ∆
2
’ =14,365 + 1,339 = 15.704(
0
C)
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
2.1.1.2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: (∆
’’
)
Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do áp
lức của cột chất lỏng (hiệu ứng áp suất thủy tĩnh gây ra).Đối với trên bề mặt của chất
lỏng có nhiệt độ sôi thấp nhất thì hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch tại lớp chất
lỏng có nhiệt độ sôi trung bình (thường chọn ở giữa ống truyền nhiệt) và trên mặt
thoáng gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh.
(∆
’’
) = t
(P+∆P)
- t
P
Với t
(P+∆P)
:nhiệt độ sôi ứng với P
tb
.
t
P
:nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch.
Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của chất lỏng
Theo CT VI.12,STQTTB,T2/ trang 60; ta có:
P
tb
=
g
h
hP
ddsoi
.
2
0
ρ
+∆+
,N/m
2
;
Với P
0
: là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
∆h: là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng dung dịch (Chọn ∆h = 0,5m cho cả 2 nồi).
h: là chiều cao ống truyền nhiệt (Chọn h = 4 cho cả 2 nồi).
(Theo bảng VI.6,STQTTB,T2/ Trang 80)
ρ
ddsoi
: là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
).
g:là gia tốc trọng trường (g =9,81m/s
2
).
Chấp nhận áp suất làm việc:
2
dd
ddsoi
ρ
ρ
=
+ Nồi 1: Ứng với x
1
=34%
Tại điều kiện áp suất khí quyển, ta có:
t
0
s1
=113,68
0
C
(Theo Bảng I.204,STQTTB,t1/ Trang 236.)
Suy ra ρ
dd1
=1259,8(kg/m
3
)→ ρ
ddsoi
=
2
8,1259
=629,9 (kg/m
3
)
(Theo Bảng I.32,STQTTB,T1/Trang 38 và sử dụng phương pháp ngoại suy)
Với P
01
= 1,467 (at)
Suy ra:
625,1
10.81.9
81,9.9,629
.
2
4
5,0467,1
4
=
++=
tb
P
(at)
+ Nồi 2: ứng với x
2
= 11,986%
Theo Bảng I.204,STQTTB,t1/ Trang 236.
t
s2
= 102,435
0
C → ρ
dd2
= 1059 (Theo Bảng I.32,STQTTB,T1/Trang 38 và sử
dụng phương pháp ngoại suy)
→ ρ
ddsoi
=
5,529
2
1059
=
(kg/m
3
)
Với P
02
= 0,210 (at)
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
Suy ra:
342,0
10.81.9
81,9.5,529
.
2
4
5,0210,0
4
=
++=
tb
P
(at)
Để tính t
0
s
của dung dịch CaCl
2
ứng với P
tb
ta dùng công thức Baboo:
.constK
P
P
t
s
==
Với P: áp suất hơi bão hòa của dung môi trên bề mặt thoáng của dung dịch (at).
P
s
:áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất (at).
+ Nồi 1: x
1
= 34%
t
0
s1
=113,68
0
C → Áp suất hơi nước bão hòa là: 1,654 (at)
(Tra Bảng I.250,STQTTB,T1/Trang 312.)
654.1.
654,1
1
1
1
PP
P
P
s
s
=→=
Khi: P = P
tb
→P
s1
= 1,625.1,654 =2,688 (at)
Vậy, t
s1
= t
tb
= 128,757
0
C.(Tra Bảng I.251,STQTTB,T1/Trang 314.)
Ứng với P
01
= 1,467 (at) → t
p
= t
ht1
+∆
’
= 110,04 + 14,365 = 124,405
0
C
Vậy: → ∆
1
’’
= t
s1
– t
soi
=128,757 – 124,405 = 4,352
0
C
+ Nồi 2: x
2
= 11,986%
t
s2
= 102,435
0
C →Áp suất hơi nước bão hòa là: 1,123 (at) (Tra Bảng
I.250,STQTTB,T1/Trang 312.)
123,1.
654,1
1
2
2
PP
P
P
s
s
=→=
Khi P = P
tb
= 0,342→ P
s2
= 0,342.1,123 = 0,384 (at)
Suy ra: t
s2
= t
tb
= 74,395
0
C (Tra Bảng I.251,STQTTB,T1/Trang 314.)
Ứng với P
02
= 0,210 (at) → t
p
= t
ht2
+∆
’
= 60,7 + 1,339 = 62,039
0
C
Vậy: → ∆
2
’’
= t
s2
– t
soi
=74,395
– 62,039 = 12,356
0
C
Nên, tổng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn bộ hệ thống:
∆
’’
= ∆
1
’’
+ ∆
2
’’
= 4,352 + 12,356 = 16,708
0
C
2.1.1.2.3.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống: (∆
’’’
)
+ Nồi 1: ∆
1
’’’
= 1
0
C
+
Nồi 2:
∆
2
’’’
= 1
0
C
Vậy ∆
’’’
= ∆
1
’’’
+ ∆
2
’’’
= 2
0
C
2.1.1.2.3.4 Tổn thất tính trên toàn bộ hệ thống:
∆ = ∆
1
+ ∆
2
+ ∆
3
= 15,704 + 16,708 + 2 = 34,412
0
C
2.1.1.2.3.5 Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi:
• Cho từng nồi:
Nồi 1: ∆
hi 1
= t
hđ1
- t
hđ2
- ∑∆
1
= 142,9 – 109,04 – (14,365 + 4,352 + 1)
=14,143
0
C
Nồi 2:∆
hi 2
= t
hđ2
– t
nt
- ∑∆
2
= 109,04 – 59,7 - (1,339 + 12,356 + 1) = 34,645
0
C
• Cho toàn hệ thống:
∆
hi ht
= t
chung
- ∑∆ = t
hđ1
- t
nt
- ∑∆ = 142,9-59,7- 34,412 = 48,788
0
C
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
2.1.1.2.4 Cân bằng nhiệt lượng:
2.1.1.2.4.1 Tính nhiệt dung riêng C : (J/kg.độ)
Nếu x < 20% ,ta tính C theo công thức I.43, STQTTB,T1/Trang 152
C = 4186 (1- x)
Nếu x > 20% , thì C tính theo công thức I.44, STQTTB, T1/Trang 152
C = C
ht
. x + 4186(1-x)
Trong đó:
C
ht
: Nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (J/kg.độ)
x : Nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng.
Theo công thức I.41, STQTTB, T1/ Trang 152 có:
C
ht
. M = ∑C
i
. n
i
Với M: khối lượng phân tử chất tiến hành cô đặc.
C
i
: nhiệt dung riêng của các đơn chất.
n
i
: số nguyên tử trong phân tử
-Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
x
đ
= 7% → C
đ
= 4186.(1-
100
7
) = 3892,980 (J/kg.độ)
-Nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồi 1:
x
1
= 34% > 20% → Sử dụng công thức: C = C
ht
. x + 4186(1-x)
C
ht
. M = ∑C
i
. n
i
(*)
M
CaCl2
= 110,99, g/mol
Tra Bảng I.141, STQTTB, T1/ Trang 152
Ta có: n
Ca
= 1 ; n
Cl
= 2
C
Ca
= C
Cl
= 26.10
3
(J/kg.độ)
Thay vào (*), ta có:
C
ht
=
766,702
99,110
10.26.210.26
33
=
+
(J/kg.độ)
Vậy C
1
= 702,766.0,34 + 4186.(1- 0,34) = 3001,7 (J/kg.độ)
- Nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồi 2:
x
2
= 11,986% < 20% → sử dụng công thức: C = 4186 (1- x)
C
2
= 4186(1- 0,11986) = 3684,266 (J/kg.độ)
2.1.1.2.4.2 Tính nhiệt lượng riêng:
I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)
Tra bảng I.249, STQTTB, T1/ Trang 310; bảng I.250, STQTTB, T1/ Trang 312 ta
lập được bảng sau:
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
Bảng 2.4:
Nồi Hơi đốt Hơi thứ dung dịch
t(
0
C)
I.10
-3
(J/kg)
Cn(J/kg.độ) t(
0
C)
i.10
-3
(J/kg)
C(J/kg.độ) t (
0
C)
1 142,9 2744,06 429,25 110,04 2696,64 3001,7 128,757
2 109,04 2694,272 4231,752 60,7 2609,588 3684,266 74,395
Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Gọi:
D
1
, D
2
: Là lượng hơi đốt đi vào nồi 1,2 (kg/h)
G
đ
, G
c
: Lượng dung dịch đầu, cuối. (kg/h)
W
1
, W
2
: lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1 và nồi 2 (kg/h)
C
đ
, C
c
:nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối (J/kg.độ)
t
đ
, t
c
:nhiệt độ đầu vào và cuối của dung dịch(
0
C)
I
1
,I
2
:hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1,2 (J/kg)
i
1
, i
2
: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1, 2 (J/kg)
C
n1
, C
n2
:nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, 2 (J/kg.độ)
θ
1
, θ
2
:nhiệt độ của nước ngưng ở nồi 1,2,
0
C
Q
tt1
, Q
tt2
: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và 2 (W)
Sơ đồ quá trình trao đổi nhiệt như sau:
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
• Nhiệt lượng vào:
Nồi 1:
+ Do hơi đốt mang vào : D
1
.I
1
+ Do dung dịch mang vào : (G
đ
– W
2
).C
2
.t
s2
Nồi 2:
+ Do hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): D
2
.I
2
= W
1
.i
1
+ Do dung dịch ở nồi 1 mang vào : G
đ
.C
đ
.t
đ
• Nhiệt lượng ra:
Nồi 1:
+Do hơi thứ mang ra : W
1
.i
1
+Do dung dịch mang ra : (G
đ
– W).C
1
.t
s1
+Do hơi nước ngưng tụ mang ra : D
1
.C
n1
.θ
1
+Do tổn thất chung : Q
tt2
= 0,05D
2
(I
2
-C
n2
θ
2
)
Nồi 2:
+ Do hơi thứ mang ra : W
2
i
2
+ Do sản phẩm mang ra : (G
đ
-W
2
)C
2
t
s2
+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra : D
2.
C
n2.
t
nt2
+ Do tổn thất chung : Q
tt2
=0,05D
2
(I
2
-C
n2.
t
nt2
)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Nồi 1 Nồi 2
Q
tt1
D
1
I
1
(G
đ
-W
2
)C
2
t
s2
D
1
C
n1
t
nt1
(G
đ
-W)C
s1
t
s1
W
1
i
1
W
1
C
n2
t
nt2
G
đ
C
đ
t
đ
Q
tt2
W
2
i
2
Đồ án QTTB
∑ Q
vào
= ∑ Q
ra
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
+ Nồi 1:
D
1
I
1
+ (G
đ
– W
2
)C
2
t
s2
= W
1
i
1
+ W
1
(t
s1
-t
s2
)C
1
+ (G
đ
–W)C
1
t
s1
+D
1
C
n1
θ
1
+0,05D
1
(I
1
-C
n1
θ
1
) (1)
+Nồi 2:
D
2
I
2
+ G
đ
C
đ
t
đ
= W
2
i
2
+ (G
đ
-W
2
)C
2
t
s2
+ D
2
C
n2
θ
2
+ 0,05D
2
(I
2
-C
n2
θ
2
) (2)
Với D
2
= W
1
, W = W
1
+ W
2
Ta có:
(2)
⇔
W
1
(0,95I
2
-C
2
t
s2
+i
2
- 0,95C
n2
θ
2
) = W.i
2
+ (G
đ
-W)C
2
t
s2
– G
đ
C
đ
t
s2
⇔
( )
222222
2222
1
95,095,0
.
θ
ns
sđđsđ
CitCI
tCGtCWGiW
W
−+−
−−+
=
(*)
Với:
G
đ
= 9000(kg/h); C
2
= 3684,266 (J/kg độ); t
s2
=74,395
0
C;
W = 7147,058(kg/h); i
2
= 2609,588.10
3
(J/kg); C
n2
= 4231,752 (J/kg độ)
θ
2
= t
hđ2
= 109,04
0
C; I
2
= 2694,272.10
3
(J/kg) ; C
1
= 3001,7(J/kg độ)
C
đ
= 3892,98(J/kg độ); θ
1
= t
hdd1
= 142,9
0
C
⇒
W
1
= 3714,003 (kg/h)
⇒
W
2
= W - W
1
= 3433,055 (kg/h)
Thay W
1
vừa tìm được vào (1) ta có:
0,95D
1
(I
1
- C
n1
θ
1
) = W
1
(i
1
+(t
s1
-t
s2
)C
1
)+(G
đ
-W)C
1
t
s1
-(G
đ
-W
2
)C
2
t
s2
⇒
( )
[ ]
( ) ( )
( )
111
2221112111
1
95,0
θ
n
sđsđss
CI
tCWGtCWGCttiW
D
−
−−−+−+
=
Với:
W
1
= 3714,003(kg/h); i
1
= 2696,64.10
3
(J/kg); G
đ
= 9000(kg/h)
C
1
= 3001,7(J/kg độ); t
s1
= 128,757
0
C; C
đ
= 3892,98(J/kg độ)
I
1
= 2744,06.10
3
(J/kg); C
n1
= 429,25(J/kg độ); θ
1
= t
hdd1
= 142,9
0
C
Giả sử dung dịch ban đầu đi vào nồi 1 ở nhiệt độ sôi của nồi 2 :
t
đ
= t
s2
= 74,395
0
C
⇒
D
1
= 3849,850 (kg/h)
Tính sai số:
+ Nồi 1:
%79,0%100
698,3743
003,3714698,3743
%100
max
1
=×
−
=×
−
=
W
WW
ptcbvltính
η
< 5%
+ Nồi 2:
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
%86,0%100
055,3433
055,3433361,3403
%100
max
2
=×
−
=×
−
=
W
WW
ptcbvltính
η
< 5%
Lúc đó, nồng độ dung dịch CaCl
2
trong các nồi:
+ Nồi 1:
( )
%34
003,37149000
7
9000100
21
1
=
−
=
+−
=
WWG
x
Gx
đ
đ
đ
+Nồi 2:
%918,11
003,37149000
7
9000100
1
2
=
−
=×
−
=
WG
x
Gx
đ
đ
đ
2.1.1.3 TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT(∑ F)
Xác định các thông số cơ bản của dung dịch:
2.1.1.3.1 Độ nhớt (µ):
Ta sử dụng công thức Pavolov:
constK
t
==
−
−
21
21
1
θθ
Với t
1
, t
2
: là nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt µ
1
, µ
2
.
θ
1
, θ
2
: là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
Nên:
K
tt
K
t
s
s
2
21
21
1
−
=→=
−
−
θ
θθ
+ Nồi 1:
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ là x
1
= 34%
Chọn: t
1
= 50
0
C, ta có µ
1
= 0,72 (N.s/m
2
) ( Tra STQTTB, T1/Trang 101 và sử
dụng phương pháp ngoại suy)
⇒
θ
1
= 35,179
0
C (Tra Bảng I.102, STQTTB, T1/ Trang 94)
t
2
= 60
0
C , ta có µ
2
= 0,64(N.s/m
2
) ( Tra STQTTB, T1/Trang 101 và sử
dụng phương pháp ngoại suy)
⇒
θ
2
= 41,33
0
C (Tra Bảng I.102, STQTTB, T1/ Trang 94)
Suy ra:
626,1
33,41179,35
6050
1
21
21
=
−
−
=
−
−
=
θθ
t
k
Từ đó ta có:
616,8333,41
626,1
60757,128
2
21
=+
−
=+
−
=
θθ
k
tt
s
s
⇒
µ
s1
= 0,451 (N.s/m
2
)
( Tra bảng I.107,STQTTB, T1/trang 100 và sử dụng phương pháp ngoai suy)
+ Nồi 2: x
2
= 11,918%
Chọn:
t
1
= 10
0
C, ta có µ
1
= 01,695(N.s/m
2
) ( Tra STQTTB, T1/Trang 101)
⇒
θ
1
= 1,62
0
C (Tra Bảng I.102, STQTTB, T1/ Trang 94)
t
2
= 20
0
C, có µ
2
= 1,639(N.s/m
2
) ( Tra STQTTB, T1/Trang 101)
⇒
θ
2
= 8,425
0
C (Tra Bảng I.102, STQTTB, T1/ Trang 94)
Suy ra:
469,1
425,862,1
2010
1
21
21
=
−
−
=
−
−
=
θθ
t
k
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
Từ đó ta có:
454,45425,8
469,1
20395,74
2
21
=+
−
=+
−
=
θθ
k
tt
s
s
⇒
µ
s2
= 1,496(N.s/m
2
)
2.1.1.3.2 Hệ số truyền nhiệt của dung dịch:
3
M
AC
Pdd
ρ
ρλ
=
(W/m độ) ( CT I.32, STQTTB, T1/ Trang 123)
Với: A: là hệ số tỷ lệ, 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: là khối lượng mol của chất lỏng
Chọn: A = 3,58.10
-8
.
M = m
i
.M
dd
+ (1- m
i
).M
nước
Mà :
n
i
dd
i
dd
i
i
M
x
M
x
M
x
m
−
+
=
1
+ Nồi 1:
077,0
18
34,01
99,110
34,0
99,110
34,0
1
=
−
+
=
m
→ M
1
= 0,077.110,9+(1-0,077).18=25,16
→
1
λ
=3,58.10
-8
.3001,7.1259,8.
3
16,25
8,1259
= 0,499 (W/m độ)
+ Nồi 2:
022,0
18
11918,01
99,110
11918,0
99,110
11918,0
2
=
−
+
=
m
→ M
2
=0,022.110,99 + (1-0.022).18 = 20,04
→
2
λ
= 3,58.10
-8
.3684,266.1059.
04,20
1059
= 0,524 (W/m độ)
2.1.1.3.3 Hệ số cấp nhiệt: α
Mô tả sự truyền nhiệt qua vách ống:
Thiết bị cô đắc có khu vực sôi bố trí bên ngoài ống, hơi đốt đi bên trong ống nên
phía trong ống có một lớp nước ngưng tụ.Màng nước ngưng này có ảnh hưởng đến
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
quá trình truyền nhiệt. Đồng thời sát thành ống phía bên ngoài có một lớp cặn dung
dịch bám vào, lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.
* Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch bên ngoài ống gồm 3 giai đoạn:
Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt trong của ống truyền nhiệt với hệ số cấp
nhiệt α
1
và nhiệt tải riêng q
1
(w/m
2
).
Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày
δ
.
ruyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt α
2
và nhiệt
tải riêng q
2
(w/m
2
).
Sơ đồ mô tả quá trình truyền nhiệt qua thành ống
t
hđ
t
T1
t
s
1
t
∆
t
T2
2
α
t∆
1
α
2
t∆
δ
a.Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị (α
1
)
4
1
1
.
04,2
tH
r
A
∆
=
α
, W/m
2
.độ (Công thức V.100, STQTTB, T2/ Trang
28)
Với r: ẩn nhiệt ngưng (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt ( chọn H = 4 )
4
2
.
µ
λρ
=
A
: là hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng t
m
t
m
= t
hđ
-
2
1
t∆
+ Nồi 1: Chọn ∆t
11
= 0,9
t
T1
= t
hđ1
- ∆t
11
= 142,9 – 0,9 = 142
t
m1
=
5,142
2
1409,142
=
+
(
0
C)
Tra STQTTB, T2/Trang 29, ta có: A
1
= 194,367
Từ t
hđ1
= 142,9
0
C → r
1
= 2135,5.10
3
(J/kg)
( Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312)
→
053,11004
9,0.4
2135,5.10
.367,194.04,2
4
3
11
==
α
(W/m
2
.độ)
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
→ q
11
= α
1
.∆t
11
= 11004,053.0,9 = 9903,63 (W/m
2
)
+ Nồi 2: Chọn ∆t
12
= 3
t
T1
= t
hđ2
- ∆t
12
= 109,04 – 3 = 106,04 (
0
C)
t
m2
=
04,107
2
04,10604,109
=
+
(
0
C)
Tra STQTTB, T2/Trang 29, ta có: A
2
= 182,168
Từ t
hđ2
= 109,04
0
C → r
2
= 2236,688.10
3
(J/kg)
( Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312)
→
618,7721
3.4
02236,688.1
.168,182,04,2
4
3
12
==
α
→ q
12
= α
12
.∆t
12
= 7721,618.3= 23164,853 (W/m
2
)
b.Giai đoạn cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch (α
2
)
Từ CT V.89, STQTTB, T2/ Trang 26, ta có:
37.0117,045,0
70,075,0
33,0
033,0
'
'
2
2
.
.10.77,7
TC
qr
µ
λ
σ
ρ
ρρ
ρ
α
−
=
−
Trong đó:
λ: hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, W/m
2
.độ
µ: độ nhớt của chất lỏng, N.s/m
2
ρ và ρ
’
: khối lượng riêng của chất lỏng và hơi, kg/m
3
r : ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg
T : nhiệt độ bão hòa,
0
K
σ : sức căng bề mặt, N/m
C : nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/kg.độ
Ta có: ∑ r = r
1
+ r
2
+ r
3
Chọn theo bảng V.I, STQTTB, T2/ Trang 4.
31
rrr
++=
∑
λ
δ
Trong đó r
1
: nhiệt trở của lớp hơi nước
γ
δ
=
2
r
: nhiệt trở của tường.
λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhệt
δ
: bề dầy ống truyền nhiệt (
δ
=2mm)
r
3
: nhiệt trở của lớp cặn bẩn
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép CT3, có λ = 50 W/m độ (Tra bảng
XII.7,STQTTB, T2/ Trang 313)
Lấy
5000
111
21
==
rr
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
→ ∑ r =
4
3
10.398,4
50
10.2
5000
2
−
−
=+
+ Nồi 1: x
1
= 34%
Ta có:
ρ
’
= 1,445 (kg/h)
ρ
dd1
= 629,9(kg/h)
r = 2182,729.10
3
(J/kg)
q
11
= 9903,63 (W/m
2
)
σ
1
= 75.10
-3
(N/m) (Tra STQTTB,T1/Trang 300)
λ
1
= 0,499 (W/m độ)
µ
1
= 0,451.10
3
N.s/m
2
C
1
= 3001,7 J/kg.độ
T
1
= 273 + 128,757 = 401,757
0
K
Tại: t
s1
= t
2
= 128,757
0
C
Ta có: ∆t = q
11
.∑ r = 9903,63 . 4,398.10
-4
= 4,355
0
C
→ t
T2
= t
T1
- ∆t = 142 – 4,355 = 137,645
0
C
Hệ số cấp nhiệt của dung dịch:
∆t
2
= t
T2
– t
2
= 137,465 – 128,757 = 8,888
0
C
( )
37.0117,0
45,0
3
70,075,0
33,0
3
033,0
3
2
2
757,401.7,3001.10.451,0
63,9903499,0
.
10.75
9,629
.
445,19,629
10.729,2182.445,1
.10.77,7
−
−
−
−
=
α
= 1079,927
→ q
2
= α
2
.∆t
2
= 1079,927.8,888 = 9598,388 (W/m
2
)
Nên ta có:
%3
63,9903
388,959863,9903
1
=
−
=
η
< 5% nên đạt
Vậy nhiệt tải trung bình:
009,9751
2
388,959863,9903
2
21
1
=
+
=
+
=
Q
(W/m
2
)
+ Nồi 2: x
2
= 11,918 %
Ta có:
ρ
’
= 0,236 (kg/h)
ρ
dd2
= 529,2 (kg/h)
r = 2322,452.10
3
(
q
12
= 9598,388 (W/m
2
)
σ
2
= 68.10
-3
(N/m) (Tra STQTTB,T1/Trang 300)
λ
2
= 0,524 (W/m độ)
µ
2
= 1,496.10
3
(N.s/m
2
)
C
1
= 3684,266 (J/kg)
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
Đồ án QTTB
T
2
= 273 + 74,395 = 347,395
0
K
Tại t
s2
= t
2
= 74,395
0
C
Ta có: ∆t = q
12
.∑ r = 23164,853 . 4,398.10
-4
= 10,188
0
C
→ t
T2
= t
T1
- ∆t = 106,04 – 10,188 = 95,852
0
C
Hệ số cấp nhiệt của dung dịch:
∆t
2
= t
T2
– t
2
= 95,852 –74,395 = 20,457
0
C
( )
37.0117,0
45,0
3
70,075,0
33,0
3
033,0
3
2
2
395,347.26,3684.10.496,1
853,23164524,0
.
10.68
5,529
.
236,05,529
10.452,2322.236,0
.10.77,7
−
−
−
−
=
α
= 1107,921
→ q
2
= α
2
.∆t
2
= 1107,921.20,457= 22664,74 (W/m
2
)
Nên ta có:
%15,2
853,23164
74,22664853,23164
2
=
−
=
η
< 5% nên đạt
Vậy nhiệt tải trung bình:
796,22914
2
74,22664853,23164
2
21
2
=
+
=
+
=
Q
(W/m
2
)
2.1.1.3.4 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi
Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi là như nhau: F
1
= F
2
nên nhiệt độ hữu ích
phân bố trong các nồi là:
( )
∑
∑
∆=∆
hi
i
i
i
i
hi
t
K
Q
K
Q
t 1
Trong đó: ∆t
hi
: nhiệt độ hữu ích troang các nồi
Q
i
: là nhiệt lượng cung cấp (J/s)
K
i
: là hệ số truyền nhiệt
Ta có:
3600
ii
i
rD
Q
=
Trong đó: D
i
: lượng hơi đốt mỗi nồi
r
i
: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi
21
11
1
αα
∑
++
=
r
K
i
+ Nồi 1:
632,1583709
3600
10.5,2135.85,3849
3
1
==
Q
Hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài kiểu đứng
