nghiên cứu về thiết bị ngưng tụ baroomet

Website: Email : Tel : 0918.775.368
I. Mở đầu
Việc thiết kế hệ thống thiết bị phục vụ cho một nhiệm vụ kỹ thuật là một
yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ s máy hoá chất . Xuất phát từ yêu cầu
đó , Bộ môn đã giao cho sinh viên thực hiện đồ án môn học.Việc làm đồ án là
một công việc hết sức cần thiết , giúp cho mỗi sinh viên từng bớc tiếp cận thc
tiển trên cơ sở lý thuyết về qúa trình và thiết bị công nghệ hoá học và các môn
học khác mà sinh viên đã học trong các học kỳ trớc . Qua việc làm đồ án sinh
viên sẽ rèn luyện kỹ năng tra cứu các sổ tay chuyên ngành , tài liệu tham khảo
, vận dụng đúng và hợp lý những vấn đề đã học vào giải quyết một vấn đề cụ
thể.Đồng thời viêc tự mình hoàn thành đồ án cũng nâng cao khả năng tính
toán,trình bày nội dung bản thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận
vấn đề một cách có hệ thống.
Trong đồ án này , yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi
chiều phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung
dịch NaN0
3
tăng suất 5000(Kg/h ) , nồng độ dung dịch đầu 12%,nồng độ
sản phẩm yêu cầu là 40%.
Quá trình cô đặc:
Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan (không
hoặc khó bay hơi ) trong dung môi bay hơi.
Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi đợc tách khỏi dung dịch ở
dạng hơi, còn chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi , do đó nồng độ của
chất hoà tan sẽ tăng lên .
Quá trình cô đặc khác quá trình chng cất ở chỗ : trong qúa trình chng cất
cả 2 cấu tử đều bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp.
Hơi của dung môi đợc tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi phụ, hơi
phụ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đốt nóng một thiết bị khác, trong trờng hợp
này ta gọi hơi phụ là hơi thứ.
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn

Cô đặc nhiều nồi:
Cô dặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt,do đó có ý
nghĩa về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi ; nồi đầu dung dịch
đợc đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này đợc đa vào nồi 2, hơi thứ của
nồi 2 đợc đa vào nồi 3 hơi thứ của nồi cuối cùng đợc đa vào thiết bị ngng tụ.
Dung dịch đi vào lần từ nồi trớc sang nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung
dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc xuôi chiều
đợc sử dụng khá phổ biến. Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ
nồi trớc sang nồi sau do chênh lẹch áp suất giữa các mồi. Nhợc điểm của nó là
nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhng nồng độ lại lớn hơn nồi trớc nên độ nhớt cua
dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu
đến nồi cuối.
2
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Đề tài thiết kế :
Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều
loại phòng đốt trong dung dịch NaN03
Nồng độ đầu của dung dịch : x
d
= 12 %
Nồng độ cuối của dung dịch: x
c
= 40 %
áp suất hơi đốt nồi 1 : P = 4 (at)
Độ chân không thiết bị ngng tụ : P
ck
= 0,8 (at)
Với năng suất : 5000 (kg/h)
Chiều cao ống gia nhiệt : H = 4 (m)

3
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn

II.Sơ đồ - mô tả dây truyền sản xuất
Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều làm việc liên tục:
Dung dịch đầu (NaN03

12%) đợc bơm (4) đa vào thùng cao vị (5) từ thùng
chứa (3), sau đó chảy qua lu lợng kế (6) vào thiết bị trao đổi nhiệt (7).ở thiết
bị trao đổi nhiệt dung dịch đợc đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sổiôì đi vào nồi
(1). ở nồi (1),dung dịch tiêp tục đợc đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống
chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt,hơi đốt đợc đa vào buồng
đốt để đun nóngdung dịch và một phần khí không ngng đợc đa qua cửa tháo
khí không ngng. Nớc ngng đợc đa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nớc ngng,
Dung dịch sôi. dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, Hơi thứ trớc
khi ra khỏi nồi cô đặc đợc đa qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lu phần dung
dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt. Dung dịch từ nồi 1 tự di chuyển
sang nồi 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc gtữa các nồi, áp suất nồi sau
nhỏ hơn áp suất nồi trớc.Nhiệt độ của nồi trớc lơn hơn nồi sau, do đó dung
dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là
dung dịch sẽ đợc làm lạnh đi và lợng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lợng
nớc gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần phải tiêu tốn thêm một lợng hơi
để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều ding dịch trớc khi đa vào
nồi đầu cần đợc đun nong sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nớc ngng tụ.
III- Tính toán thiết bị chính
Các số liệu ban đầu
Năng suất tính theo dung dịch đầu : G
đ
= 5000 (kg/h)

Nồng độ đầu của dung dịch : x
đ
= 12 %
Nồng độ cuối của dung dịch : x
c
= 40 %
áp suất hơi đốt : p
1
= 4 (at)
áp suất hơi ngng tụ : p
ng
= 1- P
ck
= 1-0,8 = 0,2 (at)
III.1- Tổng lợng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống ( W (kg/h)).
Công thức: [3-317]

3500
40
12
1.50001 =






=

=
x
x
G
c
d
d
W
(Kg/h )
III.2- Lợng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi :
Lợng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : W
1
(Kg/h )
Lợng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 : W
2
(Kg/h )
4
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Giả thiết mức phân phối lợng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là W
1
:W
2
= 1:1,2
Ta có : W = W

1
+W
2

1591
2,2
3500
2,2
1
===
W
W
(Kg/h )
W
2
= 1909 (Kg/h )
III.3- Nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi :
Với nồi 1: [3-317]

%6,17
15915000
12
.5000.
1
1
=

=

=

WG
x
Gx
d
d
d
Với nồi 2 : [3-317 ]

( )
%40
35005000
12
.5000.
21
=

=
+
=
WWG
x
Gx
d
d
d
III.4- Chênh lệch áp suất chung của hệ thống (

p (at))
p = p
1

p
ng
= 4 - 0,2 = 3,8 (at)
III.5- Xác định áp suất , nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi :
Dp
i
: chênh lệch áp suất trong nồi thứ i (at)
Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là :

p
1

:

p
2
= 1 :1

. Ta có :
Hiệu số áp suất nồi 1 :

p
1
=
2
p
=
2
8,3

1,9 (at)
Hiệu số áp suất nồi 2 :

p
2
= =
2
p
=
2
8,3


1,9 (at)
áp suất hơi đốt nồi 1 : p
1
= p = 4 (at)
áp suất hơi đốt nồi 2 : p
2
= p
1
p
1
= 4 1,9 = 2,1 (at)
Tra bảng I- 251 : Tính chất lý hoá của hơi nớc bão hoà phụ thuộc áp suất trang
[1-378]
với p
1
= 4 (at) t

1
= 142,9
0
C
i
1
= 2744.10
3
J/kg
r
1
= 2141. 10
3
J/kg
với p
2
= 1,24 (at) t
2
= 120,9
0
C
i
2
= 2712.10
3
J/kg
5
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
r
2

= 2204. 10
3
J/kg
p
ng
= 0,2 (at) t
ng
= 59,7
0
C
III.6- Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi :
Chọn tổn thất nhiệt độ do trở lực đờng ống cho nồi 1:

1
=1
o
C
Nhiệt độ hơi thứ thoát ra ở nồi 1:
t
1
= t
2
+
1
= 120,9 +1 =121,9
o
C
Chọn tổn thất nhiệt độ do trở lực đờng ống cho nồi 2 :

2

= 1
o
C
Nhiệt độ hơi thứ ở nồi 2 :
t
2
=t
ng
+

2
= 59,7 + 1 = 60,7
o
C
Tra bảng I.250 Tính chất lý hoá của hơi nớc bão hoà phụ thuộc nhiệt độ
[1-312]
t
1
= 121,9
o
C p
1
= 2,155 ( at)
i
1
= 2713,66. 10
3
(J/kg)
r
1

= 2202,06.10
3
( J/kg)
t
2
=60,7
o
C p
2
= 0,21 ( at)
i
2
= 2608,8.10
3


(J/kg)
r
2
= 2357.10
3
(J/kg)
Bảng tổng hợp số liệu:

Nồi
Hơi đốt Hơi thứ
x %
p
(at)
t

(
o
C)
i. 10
-3
(J/kg)
r.10
-3
(J/kg)
p
(at)
t
(
o
C)
i. 10
-
3
(J/kg)
r.10
-3
(J/kg)
1 4 142,9 2744 2141 2,155 121,9 2713 2202 17,6
2 2,1 120,9 2712 2204, 0,21 60,7 2609 2357 40
III.7- Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi :
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh tăng cao

i

p
tb
: áp suất ở giữa ống truyền nhiệt : [3-283]
p
tb1
= p
o
+
2
1
.(h
o
+
2
h
).
1
.g (N/m
2
) (5)
p
01
: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch
p
01
= 2,155 (at)
p
02
= 0,21 (at)
h

0
: chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng dung dịch , lấy h
o
=1 m
h : chiều cao ống truyền nhiệt ; h= 4 m
6
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
: khối lợng riêng dung dịch ở nhiệt độ sôi (kg/m
3
)

1
=
2
0

; (
0
: khối lợng riêng của dung dịch NaN03
ở 20
o
C có cùng nồng độ)
g : gia tốc trọng trờng ; g= 9,81 m/s
2
Tra bảng I-59:

1
= 1,126.10
3

(kg/m
3
)

2
=1,3175.10
3
(kg/m
3
)
Thay số : p
tb1
=
4
3
10.81,9
81,9.10.126,1
2
4
1
2
1
155,2






++

2,324 (at)
p
tb2
=
4
3
10.81,9
81,9.10.3175,1
2
4
1
2
1
21,0






++


0,4 (at)
Tra bảng I-251 Tính chất hóa lý của hơi nớc bão hoà phụ thuộc vào áp suất ta
có
t
tb1

= 120
o
C
t
tb2
= 75,1
P
01
= 2,155 có t
01
=119,8
o
C
P
02
= 0,21 có t
02
= 60,7
o
C

1
= 120 119,8 =0,2
o
C

2
= 75,1 60,7 = 14,4
o
C

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ :

1
(
o
C)
Do nhiệt độ sôi của dung môi nhỏ hơn nhiệt độ sôi của dung dịch áp dụng
công thức gần đúng của Tysencô : [2-59]

p1
= 16,2.
1
2
1
r
T
s
.

kq1
(
o
C) (7)
Trong đó :
T
s1
: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (
o
K)
r

1
: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi ở cùng áp suất (J/kg)

kq1
: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi ở nồng độ x=17,47% và áp suất khí quyển
T
s1
=119,8+ 273 = 392,8
o
K
r
1
= 2202,06.10
3
(J/kg)
Tra bảng VI .2 [2-58]
D
kq1
= 2,24
o
C
7
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Thay vào ta có :

1
=
24,2.
10.06,2202

8,392
.2,16
3
2
= 2,54 (
o
C)
Tơng tự , đối với nồi 2
T
s2
=60,7+ 273 = 333,7
o
K
r
2
= 2357.10
3
(J/kg)
D
kq2
= 6,8
o
C
Thay vào ta có :

2
=
8,6.
10.2357
7,333

.2,16
3
2
= 5,2 (
o
C)
Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống :
Theo [2-68] :


=
2
1i
=

=
2
1i

i
+

=
2
1i

i
+

=

2
1i

i



=
2
1i

i
= 2,54 + 5,2 = 7,74 (
o
C)


=
2
1i

i
= 0,2 + 14,4 = 14,6 (
o
C)


=
2
1i

i
= 1 + 1 = 2 (
o
C)
Thay số:

=
2
1i
= 7,74 + 14,6 + 2 = 24,34 (
o
C).
III.8- Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống :
t
hi1
= t
1
- t
s1
= t
1
- t
1
-
1
-
1
(
o

C)
t
s1
: nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 1
t
s1
= 121,9 + 2,54 + 0,2 = 124,64
o
C
t
s2
= 60,7 + 5,2 + 14,4 = 80,3
o
C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi :
T
1
=142,9 - 124,64 = 18,26 (
o
C)
T
2
=120,9 - 80,3 = 40,6
Nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống :
t
hi
=18,26 + 40,6 = 58,86 (
o
C)
Bảng tổng hợp số liệu số 2:

8
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn

Nồi

i
(
o
C)
i
(
o
C)
i
(
o
C) t
i
(
o
C)
t
si
(
o
C)
1 2,54 0,2 1 18,26 124,64
2 5,2 14,4 1 40,6 80,3
III.9- Tính lợng hơi đốt D , lợng hơi thứ W
i

cho từng nồi :
Sơ đồ cân bằng vật chất và nhiệt lợng :

Trong đó :
G
đ
: Lợng dung dịch đầu đa vào cô đặc (kg/h)
D : Lợng hơi đốt ở nồi 1 (kg/h)
C
0
,C
1
, C
2
: Nhiệt dung riêng của dung dịch cho vào nồi 1,nồi 2
và ra khỏi nồi 2 (J/kg.độ)
i
1
, i
2
: Nhiệt lợng riêng của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 (J/kg)
i
1
,i
2
: Nhiệt lợng riêng của hơi thứ đi khỏi nồi 1, nồi 2 (J/kg)
C
nc1
,C
nc2

: Nhiệt dung riêng của nớc ngng nồi 1,nồi 2 (J/kg.độ)
t
s0
,t
s1
,t
s2
: Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu , dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2
(
o
C)

1
,

2
: Nhiệt độ nớc ngng nồi 1, nồi 2 (
o
C)
Q
m1
,Q
m2
: Nhiệt mất mát ở nồi 1 , nồi 2 , lấy Q
m
= 0,05 . Q
(J)
W
1
, W

2
: Lợng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1 ,nồi 2 (kg/h)
9
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Lập hệ phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
Nồi 1: Lợng nhiệt mang vào :
Do dung dịch đầu : G
đ
. C
0
.t
s0
(J)
Do hơi đốt : D.i
1
(J)
Lợng nhiệt mang ra :
Do sản phẩm ra : (G
đ
- W
1
) . C
1
.t
s1
(J)
Do hơi thứ : W
1
. i
1

(J)
Do nớc ngng : D.C
nc1
.

1
(J)
Do tổn thất : Q
m1
= 0,05. D.(i
1
C
nc1
.

1
)
(J)
Nồi 2 : Lợng nhiệt mang vào :
Do hơi thứ : W
1
.i
2
(J)
Do dung dịch từ nồi 1: (G
đ
- W
1
).C
1

.t
s1
(J)
Lợng nhiệt mang ra :
Do hơi thứ : W
2
.i
2
(J)
Do dung dịch ra : (G
đ
- W
1
-W
2
).C
2
.t
s2
(J)
Do nớc ngng : W
1
.C
nc2
.

2
(J)
Do tổn thất : Q
m2

= 0,05. W
1
(i
2
- C
nc2
.

2
)
(J)
Ta có hệ phơng trình cân bằng nhiệt lợng cho 2 nồi :
Di
1
+ G
đ
.C
0
.t
s0
= W
1
.i
1
+ (G
đ
-W
1
).C
1

.t
s1
+ D.C
nc1
.

1
+ 0,05.D(i
1
- C
nc1

1
)
W
1.
i
2
+ (G
đ
- W
1
)C
1
.t
s1
=
10
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
= W

2
.i
2
+(G
đ
- W
1
- W
2
) C
2
.t
s2
+ W
1
.C
nc2
.

2
+ 0,05.W
1.
(i
2
-C
nc2
.

2
)

W
1
+ W
2
= W
hay:
D =
).(95,0
)()'(
111
00111111

nc
ssds
Ci
tCtCGtCiW

+
W
2
=
222
112211222221
'
)(]).(95,0.[
s
ssdssnc
tCi
tCtCGtCtCCiW

+


W = W
1
+ W
2
Ta có : i
1
= 2744. 10
3
(J/Kg) i
2
= 2712. 10
3
(J/Kg)
i
1
= 2713,66. 10
3
(J/Kg) i
2
= 2609. 10
3
(J/Kg)
t
so
= 101,5
o
C t

s1
= 124,64 t
s2
= 80,3
o
C

1
= 142.9
o
C

2
= 120,9
o
C
Theo [1-195]
C
nc1
= 4285,6 (J/kg.độ) C
nc2
= 4239,1 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaN03 vào nồi 1 (x
d
=12%)
Đối với dung dịch loãng (x<20%) đợc tính : [1-180]
C
o
= 4186(1- x) , (J/kg.độ)
C

o
= 4186.(1- 0,12) = 3683,7 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaN03 ở nồi 1 (x
1
=17,6%)
C
1
= 4186.(1- 0,176) = 3349,26 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch NH
4
NO
3
ở nồi 2 (x
2
= 40%)
Đối với dung dịch đặc (x> 20 %) đợc tính : [1-181]
C = C
ht
.x + 4186.(1 - x) (J/kg.độ)
Trong đó :
C
ht
là nhiệt dung riêng của chất hoà tan khan (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học : [1-180]
M.C
ht
= n
1
.c
1

+ n
2
. c
2
+ + n
n
. c
n

M : khối lợng mol của hợp chất
C
ht
: nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học (J/kg.độ)
n
1
,n
2
,n
3
: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất
c
1
, c
2
,c
3
: nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tơng ứng (J/kg.độ)
11
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Dung dịch NaN03 : n

1
=1, n
2
=1 , n
3
= 3
Tra bảng I.141 [1-180]
Na : c
1
= 26000 (J/kg nguyên tử .độ)
N : c
2
= 26000 (J/kg nguyên tử .độ)
O : c
3
= 16800 (J/kg nguyên tử .độ)
M
NaN03
= 85
Thay số : C
ht
=
85
16800.326000.126000.1 ++
= 1204,7 (J/kg.độ)
Vậy :
C
2
= 4186.(1 0,4) + 1024,71.0,4 = 2993,48 (J/kg . độ)
Thay số vào hệ phơng trình trên ,giải hệ ta có :

D = 1907 (kg/h)

W
1
= 1564 (kg/h) W
2
= 1936 (kg/h)



Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi :
W
1
:W
2
= 1564 : 1936 = 1: 1,23
Kiểm tra sai số:

1

=
1591
15641591
.100%

1,7 % <5%
2

=
1909

19091936
.100%

1,4% < 5%
Vậy giả thiết mức phân phối lợng hơi thứ bốc ra ở các nồi chấp nhận đợc.
Bảng số liệu thứ 3 :
Nồi C
J/kg.độ
C
nc
J/kg.độ

,
o
C
W ( kg/h)


%
Giả thiết Tính
1
3449,26 4294,25 142,9 1591 1564 1,7
2
2993,48
4351,44
120,9 1909 1936 1,4
III.10- Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lợng trung bình :
12
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Điều kiện làm việc:

Phòng đốt trong thẳng đứng ,hơi ngng bên

ngoài ống, màng nớc ngng chảy dòng


Nồi 1:

11
= 2,04. A.
4
1
.Ht
r
i

, (W/độ)
Chọn chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt :
t
11
= 1,8
o
C
t
12
= 5,38
0
C
Đối với nớc , hệ số A có trị số phụ thuộc vào nhiệt độ màng (t
m
) : [4-12]

t
m
=
2
1 ii
tt +
= t
i

2
i
t
, (
o
C)
t
m1
= 142,9 -
2
8,1
= 142
o
C
t
m2
= 120,9-
2
38,5
= 118,21
0

C
Tra hệ số A theo nhiệt độ màng [2-29]
t
m1
= 141
o
C A
1
= 194,3
t
m2
= 102,9
0
C A
2
= 187,19
H : chiều cao ống truyền nhiệt : H = 4 m
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi (tra theo nhiệt độ hơi đốt) :
r
1
= 2141.10
3
J/kg
r
2
=2204,3.10
3
J/kg

Ta có hệ số cấp nhiệt

11
khi ngng tụ hơi :

11
= 2,04.194,3.
4
3
4.8,1
10,.2141
= 9256 (W/m
2
.độ)

12
= 2,04.180,04.
4
3
4.38,5
10.4,2246
= 6831,5 (W/m
2
.độ)
13
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngng tụ :
q
11
=

1i
.

t
1i
, (W/m
2
)

q
11
=
11
.t
12
= 9256.1,8 =16660 (W /m
2
)
q
12
=
12
.t
12
= 8268,01.4,4 = 36753 (W /m
2
)
3.Tính hệ số cấp nhiệt

21
từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi :
Dung dịch khi sôi ở chế độ sủi bọt , có đối lu tự nhiên. Hệ số cấp nhiệt xác
định theo công thức : [3-234]

2i
= 45,3.p
i
0,5
.

t
2i
2,33
.

i
, (W/m
2
độ)
Trong đó :
p
i
: áp suất hơi thứ ở nồi i
p
1
= 2,155 (at)
p
2
= 0,2 (at)

t
2i
: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch (
o
C)


t
2i
= t
T2i
t
ddi
=

t
i
-

t
1i


t
Ti ,
(
o
C)
t

Ti
: hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt :

1T
t
= q
1i
.

r
, (
o
C)

r
: tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt , đợc tính : [2-3]

r
= r
1
+ r
2
+


(m
2
.độ/W)
r
1

, r
2
: nhiệt trở của cặn bẩn ở 2 phía của thành ống
Bảng V.1 [2-4]
Cặn bẩn : r
1
= 0,387.10
-3
(m
2
.độ/W)
Hơi nớc (lẫn dầu nhờn): r
2
= 0,232.10
-3
(m
2
.độ/W)
Chọn ống truyền nhiệt có kích thớc :
238ì

: bề dày ống truyền nhiệt :

= 2.10
-3
(m)

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (thép CT3) ;

= 46 (W/m.độ)

Thay số ta có :

r
= 0,387.10
-3
+ 0,232.10
-3
+
5,46
10.2
3

r
= 0,6625.10
-3
(m
2
.độ/W)
14
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch :


t
21
=

t
1
-

t
11
q
11
.

r
= 18,26 1,8 16660. 0,6625.10
-3
= 5,42
(
o
C)
t
22
= t
2
t
12
q
12
.

r
= 40,6 5,38 - 36753. 0,6625.10
-3
= 10,87
(
0

C)
Hệ số hiệu chỉnh : [3-224]

=
435,0
2565,0

dd
nc
nc
dd
nc
dd
nc
dd
C
C
à
à

( Chỉ số dd : dung dịch ; chỉ số nc : nớc )
C :nhiệt dung riêng (J/kg.độ)


: hệ số dẫn nhiệt (W/m độ)


: khối lợng riêng (kg/m
3
)

à
: độ nhớt (Cp)

,

,
à
, C tra theo nhiệt độ sôi của dung dịch.
Điều kiện làm việc :
t
s1
= 124,64
o
C ;
t
s2

= 80,3
o
C ;
Tra bảng I.5: Khối lợng riêng của nớc trong khoảng từ 10
0
C đến 250
0
C
[1-13] Nồi 1: t
s1
= 124,64
o
C =>
nc1
= 939,6 (kg/m
3
)
Nồi 2: t
s2
= 80,3
o
C =>
nc2
= 971,63 (kg/m
3
)
Tra bảng I.29: Khối lợng riêng của dung dịch NaN03
Nồi 1 :
dd1
= 1126 (kg/m

3
)
Nồi 2 :
dd2
= 1317,5 (kg/m
3
)
Tra bảng I.148 : Nhiệt dung riêng của nớc và hơi nớc ở nhiệt độ sôi [1-195]
C
nc1
= 4254 (J/kg.độ)
C
nc2
= 4189,4 (J/kg.độ)
Theo bảng kết quả 3 :
C
dd1
= 3449,26 (J/kg.độ)
C
dd2
= 2993,48 (J/kg.độ)
15
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Tra bảng I.120: Hệ số dẫn nhiệt nớc và hơi nớc phụ thuộc nhiệt độ và áp suất
[1- 155]
nc1
= 0,68 (W/m.độ)

nc2
= 0,675 (W/m.độ)

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch đợc tính : [1-143]


dd
=

. C
p
.

.
3
M

, (W/m.độ)
C
p
: nhiệt dung đẳng áp của hỗn hợp (J/kg.độ)


: khối lợng riêng của hỗn hợp (kg/m
3
)
M : khối lợng mol của hỗn hợp
: hệ số tỷ lệ , phụ thuộc tính chất chất lỏng,đối với chất lỏng kết hợp (n-
ớc) = 3,58.10
-8

Khối lợng mol của dung dịch trong nồi 1 (x = 17,7%):
M

1
= N
NaN03
.M
NaN03
+ N
H2O
.M
H2O
N
NaN03
=
18
4,82
85
6,17
85
6,17
+


0,0432 (mol)
M
1
= 0,0432.80 + (1-0,0432).18 = 20,89
Khối lợng mol của dung dịch trong nồi 2 :
M
2
= N
NaN03

.M
NaN03
+ N
H2O
.M
H2O
N
NH4NO3
=
18
60
85
40
85
40
+


0,133 (mol)
M
1
= 0,133.85 + (1-0,133).18 = 26,91
Thay vào ta có:

dd1
= 3,58.10
-8
.3349,26.1126.
3
89,20

1126
= 0,5252 , (W/m.độ)

dd2
= 3,58.10
-8
.2993,48 .1317,5.
3
91,26
5,1317
= 0,516 , (W/m.độ)
Tra bảng I.104 :Độ nhớt của nớc cao hơn 100
0
C :
[1-106]
à
nc1
=0,222 (Cp)
Tra bảng I.102 :Độ nhớt của nớc phụ thuộc nhiệt độ :
[1-106] à
nc1
=0,3545 (Cp)
Độ nhớt của dung dịch đợc tính theo công thức Pavolov :
16
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
[1-94]
21
21

tt
= K = const
Trong đó :
t
1
, t
2
: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt
à
1
,
à
2

1

,
2

: nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có cùng độ nhớt
à
1
,
à
2
Với dung dịch NaN03 17,6 % ở nhiệt độ sôi [1-113]
Tại t
1
= 10
o

C :
à
1
= 1,5276 (Cp) (Cp = 10
-3
.N.s/m
2
)
Tại t
2
= 20
o
C :
à
2
= 1,1512 (Cp)
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nớc
[1-105]
à
1
= 1,5276 (Cp) ứng với

1
= 4,82
o
C

à
2
= 1,1512 (Cp) ứng với

2
= 14,6
o
C
Tại t
s1
=124,64
o
C dung dịch có độ nhớt là à
dd1
, tơng ứng nhiệt độ của nớc ở
nhiệt độ t .Ta có:
82,46,14
1020


=
6,14
2064,124


t
Rút ra đợc : t = 116,9
o
C
Tra bảng : Độ nhớt của nớc :
[1-105]
à
dd1

= 0,239 (Cp)
Tơng tự
à
dd2
= 0,6 (Cp)
Hệ số hiệu chỉnh :

1
=
866,0
239,0
222,0
.
4254
26,3449
.
6,939
1126
.
68,0
5252,0
435,0
2565,0
=

2
=
612,0

6,0
3545,0
.
4,4189
48,2993
.
63,971
5,1317
.
675,0
516,0
435,0
2565,0
=

Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đến chất lỏng sôi :

2i
= 45,3.p
i
0,5
.

t
2i
2,33
.

i

Nồi 1 :
21

= 45,3.2,155
5,0
.4,3
33,2
. 0,866 = 2957,3 , (W/m
2
.độ)
Nồi 2 :

22
= 45,3.0,21
0,5
.26,96
2,33
.0,612 = 3298 , (W/m
2
.độ)
Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch :
Theo công thức [3-234] :
q
2i
=
2i
.t
2i
(W/m

2
)
q
21
= 2957,3 .5,42 = 16028 (W/m
2
)
q
22
= 3298 . 10,87 = 35851,3 (W/m
2
)
17
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Sai số :

q
1
=
16660
1602816660
= 3,7 % < 5 %


q
2
=
36753
3,3585136753
= 2,4 % < 5 %

Vậy ta chấp nhận giả thiết t
11
= 1,8
o
C
t
12
= 5,38
0
C
Các bảng số liệu thứ 4,5,6:
Nồi

dd
(kg/m
3
)

nc
(kg/m
3
)
C
nc
J/kg.độ
C
dd
(J/kg.độ)

dd

W/m.độ

nc
W/mđộ
à
dd
(Cp)
à
nc
(Cp)
1 1126 939,6 4254 3449,26 0,5252 0,68 0,239 0,222
2 1317,5 971,63 4189, 2993,48 0,516 0,675 0,6 0,354
Nồi
)(
2
Ct
o
i

i

i2

(W/m
2
.độ)
q
2i
(W/m
2

)
1 5,42 0,866 2957,3 16028
2 10,87 0,612 3298 35851,3
III.11- Xác định hệ số truyền nhiệt :
Tính theo phơng pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề
mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau thì hệ số truyền nhiệt đợc suy ra từ công
thức V.6 : [2-4]
K =
t
q
tb

, (W/m
2
.độ)
( q
tb
- nhiệt tải riêng trung bình ;

t - hiệu số nhiệt độ hữu ích )
q
1tb
=
2
2111
qq +
=
2
1602816660 +
= 16344 , (W/m

2
)
q
2tb
=
2
2212
qq +
=
2
3,3585136753 +
= 36302 , (W/m
2
)
Thay số vào công thức ta có :
Nồi

t
1i
(
o
C) t
mi
(
o
C) A
i

1i
(W/m

2
)
q
1i
(W/m
2
) M
1 1,8 142 194,3 9256 16660 20,89
2 5,38 118,21 187,19 6831,5 36753 26,91
18
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
K
1
=
26,18
16344
= 895,07 , (W/m
2
.độ)
K
2
=
6,40
36302
= 894,13 , (W/m
2
.độ)
Lợng nhiệt tiêu tốn :
Nồi 1 : Q
1

=
3600
. W
11
r
=
3600
10.06,2202.1564
3
= 956672,73 , (W)
Nồi 2 : Q
2
=
3600
.
22
rW

Nhng do dung dịch vào trong thiết bị ở trạng thái quá nhiệt (t
đ
> t
s
) làm lợng
nhiệt tiêu tốn giảm xuống do có một phần dung dịch tự bốc hơi:
Q
2
=
3600
).().(.r W
211122 ssd

ttCWG

Q
2
=
3600
)3,8064,124.(26,3449).15645000(10.2357.1936
3


= 1121569,3 (W)
III.12- Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích :
Lập tỷ số
i
i
K
Q
cho từng nồi :
Nồi 1 :
1
1
K
Q
=
07,895
73,956672
= 1068,82
Nồi 2 :
2
2

K
Q
=
13,894
3,1121569
= 1254,36
Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức : [3-331]

i
T
*

=


=
=

2
1
2
1
.
j
j
j
j
i
i
j

K
Q
K
Q
T
(
o
C)
Nồi 1 :
1
*
T
=
( )
36,125482,1068
82,1068
.6,4026,18
+
+
= 27,07
o
C
Nồi 2 :
2
*
T
=
( )
36,125482,1068
36,1254

.6,4026,18
+
+
= 31,78
o
C
19
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
Bảng số liệu số 7 :
Nồi K
i
(W/m
2
.độ)
Q
i
(W/m
2
)
i
T
*

(
o
C)
1 895,07 956672,73 27,07
2 894,13 1121569,3 31,78
III.14- Tính bề mặt truyền nhiệt F:
theo phơng thức bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau :

[3-289] F =
*
. TK
Q

, (m
2
)
Nồi 1 : F
1
=
*
11
1
. TK
Q

=
07,20.07,895
73,956672
= 39,38 (m
2
)
Nồi 2 : F
2
=
*
22
2
. TK

Q

=
78,31.13,894
3,1121569
= 39,47 (m
2
)
Vậy chọn theo quy chuẩn : F
1
= F
2
= 40 (m
2
)

IV - Tính thiết bị phụ
IV.1- Hệ thống thiết bị ngng tụ barômet :
Chọn thiết bị ngng tụ trực tiếp loại khô ngợc chiều chân cao
20
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
1. Thân
2. Thiết bị thu hồi bọt
3. ống barômet
4. Tấm ngăn hình bán nguyệt
5. ống dẫn khí không ngng
Nguyên lý làm việc của thiết bị baromet :
Hơi từ nồi cô đặc đi vào thiết bị ngng tụ từ phía dới lên , nớc làm lạnh chảy
từ trên xuống , chảy tràn qua gờ của tấm ngăn và đồng thời chui qua các lỗ
của tấm ngăn . Hỗn hợp nớc làm nguội và chất lỏng đã ngng tụ chảy xuống

ống baromet và đi xuống bể chứa. Khí không ngng đi lên qua ống (5)sang
thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống baromet khí không ngng
(hoặc không khí )đợc hút ra qua phía trên bằng bơm chân không đi ra ngoài .
IV.2- Tính toán hệ thiết bị ngng tụ :
Thiết bị ngng tụ Barômét
Các số liệu:
Lợng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc : W
2
=1936 (kg/h)
21
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
áp suất ở thiết bị ngng tụ : p
ng
= 0,2 (at)
Tra bảng I.252 (1-316)
Với p
ng
= 0,2 (at)

ta đợc: t
ng
= 59,7
0
C,
Các thông số vật lý của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hệ thống :
p
2
= 0,21 (at) ; t
2
= 60,7

o
C ; i
2
= 2609.10
3
(J/kg) ;
r
2
= 2357.10
3
(J/kg) ;
2

= 0,1344 (kg/m
3
)
Tính lợng nớc lạnh G
n
cần thiết để ngng tụ :
Theo công thức [2-84] :
G
n
=
)(
dcnc
cnc
ttC
tCi

.W
2
, (kg/h)
Trong đó :
i : nhiệt lợng riêng của hơi ngng [1-251] :
i
ng
= 2609.10
3
(J/kg)
t
đ
, t
c
: nhiệt độ đầu , cuối của nớc lạnh, chọn t
đ
= 20
o
C ; t
c
= 50
o
C
C
nc

: nhiệt dung riêng trung bình của nớc , ở nhiệt độ trung bình
t
tb
=

35
2
5020
=
+

o
C
Theo [I-165] :
C
nc
= 4180,9 (J/kg.độ)
Thay số ta đợc :
G
n
=
)2050.(10.9,4180
50.9,418010.2609
1936
3
3


= 37644 (kg/h)
Đờng kính trong của thiết bị ngng tụ :
Theo công thức [2-84] :
D
tr
= 0,0188.
hh

W

.
2
, (m)
Trong đó :

h
: khối lợng riêng của hơi [I-177] :

h
= 0,1161 (kg/m
3
)

h
: tốc độ của hơi trong thiết bị ngng tụ: với áp suất ngng tụ p
ng
= 0,18 (at)
lấy

h
= 35 (kg/s)
Thay số vào công thức ta đợc :
D
tr
=
35.1161,0
1936
.0188,0

= 0,381 (m)
Quy chuẩn D
tr
= 0,5 (m) = 500 (mm)
Kích thớc tấm ngăn :
Chiều rộng tấm ngăn có dạng hình viên
phân
22
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
có thể xác định nh sau : [2-85]
b =
2
D
+ 50 (mm)
D

- đờng kính trong của thiết bị ngng tụ
Thay số : b =
2
500
+ 50 = 300 ( mm)
Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ .Chọn nớc làm lạnh là nớc bẩn ,đờng kính
lỗ là 5 mm , chiều dày tấm ngăn

= 4 mm
Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngng tụ :
Theo công thức [2-85]:
f =
c
n

G

.3600
10.
3
(m
2
)
Trong đó :

c
: tốc độ tia nớc , lấy

c
= 0,62 m/s khi chiều cao của gờ tấm ngăn là 40
(mm)
Thay số :
f =
62,0.3600
10.37644
3
= 0,0168 (m
2
)
Bớc lỗ (t) :
Lỗ xếp theo hình lục giác đều , bớc lỗ đợc tính theo công thức [2-85] :
t = 0,866.d
lỗ
.(
tb

f
f
)
5,0
+ d
lỗ
(mm)
Với: d
lỗ
: đờng kính của lỗ (mm)

tb
f
f
: tỉ số giữa tổng diện tích thiết diện các lỗ với diện tích thiết
diện của thiết bị ngng tụ. Chọn
tb
f
f
= 0,1 (đối với nớc bẩn)
Thay số ta có :
t = 0,866.5.(0,1)
0,5
+ 5 = 6,37 (mm)
Tính chiều cao thiết bị ngng tụ :
Mức độ đun nóng nớc đợc tính : [2-85]


=
dbh

dc
tt
tt


Trong đó :
t
đ
,t
c
: nhiệt độ đầu và cuối của nớc tới vào thiết bị ngng tụ (
o
C)
23
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
t
bh
: nhiệt độ của hơi bão hòa ngng tụ ,ứng với p
ng
= 0,18 (at) có t
bh
= 59,7
o
C
Thay số ta đợc :

=
207,59
2050

= 0,756
Quy chuẩn theo bảng VI.7 [2-86]
Ta lấy

= 0,774
Bảng số liệu :
Bảng 8 :
Số
bậc
Số ngăn
Khoảng cách
giữa các
ngăn
Thời gian
rơi qua 1
bậc
(s)
Mức độ
đun
nóng
Đờng kính
của tia nớc
(mm)
4 8 400 0,41 0,774 2
Ta có chiều cao của thiết bị ngng tụ : H = 8.400 = 3200(mm)
Thực tế , khi hơi đi trong thiết bị ngng tụ từ dới lên thì thể tích của nó sẽ giảm
dần , do đó ta lấy khoảng cách giữa các ngăn giảm dần từ dới lên trên khoảng
50 mm cho mỗi ngăn .
Khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 400 mm , ta chọn khoảng cách giữa

2 ngăn dới cùng là 450 mm . Vậy chiều cao thực tế của thiết bị ngng tụ là H
Do đó:
H = 600+550+500+450+400+350+300+250= 3400 (mm)
Kích thớc ống barômet :
Đờng kính trong ống Baromet ,theo [2-86] :
d =

3600
).(004,0
2
WG
n
+
(m)

là tốc độ của hỗn hợp hơi nớc và chất lỏng đã ngng chảy trong ống barômet
Chọn

= 0,5 (m/s)
Thay số vào công thức trên ta đợc :
d =
5,0.14,3.3600
)193637644.(004,0 +
= 0,167 (m)
Chiều cao ống barômet theo [2-86] :
H = h
1
+h
2
+0,5 (m)

Trong đó :
h
1
: chiều cao cột nớc trong ống baromet (cân bằng với hiệu số áp suất trong
thiết bị ngng tụ và áp suất khí quyển) tính theo công thức:
h
1
= 10,33.
760
ck
p
(m)
24
Đồ án máy hóa phạm anh tuấn
p
ck
là độ chân không trong thiết bị ngng tụ : p
ck
= 760 735,6.p
ng

p
ck
= 760 735,6.0,2 = 612,88 (mm Hg)
Vậy : h
1
= 10,33.
760
59,627
= 8,33 (m)

h
2
là chiều cao cột nớc trong ống Baromet để khắc phục toàn bộ trở lực khi nớc
chảy trong ống, tính theo [2-87] :
h
2
=
g.2
2

.(2,5+
d
H
.

) (m) (37)

: là hệ số ma sát khi nớc
chảy trong ống, theo Braziut :


=
25,0
Re
3164,0
Với Re =
à

d
trong đó :

-vận tốc dòng :

= 0,5 m/s
l~d -kích thớc hình học : d = 0,167(m)

tb
-Khối lợng riêng của lỏng tại nhiệt độ trung bình
[1-12] :

tb
= 1000 (kg/m
3
)
à - độ nhớt của nớc tại nhiệt độ trung bình
[1-94] : à = 0,6947.10
-3
(Ns/m
2
)
Thay số đợc : Re =
3
10.6947,0
1000.167,0.5,0

= 120,19.10
3

Do đó hệ số ma sát :

=
4
3
10.19,120
3164,0
= 0,0169
Vậy : h
2
=
81,9.2
5,0
2
.






+
167,0
.0169,05,2
H
= 0,032 + 0,00128.H
Từ trên ta có : H = 8,264 + 0,032 + 0,00128.H + 0,5
Rút ra : H = 8,8 (m) ; chọn theo quy chuẩn H = 10,5 m
Vậy H = 10,5 (m) ; h
1
= 8,53 (m) ; h
2

=1,97 (m)
Lợng hơi và khí không ngng :
Lợng không khí cần hút ,theo [2-84] :
G
kk
= 0,000025.W
2
+0,000025.G
n
+0,01.W
2
, (kg/h)
Thay số vào công thức trên :
G
kk
= 0,000025.1936 + 0,000025.37644 + 0,01.1936
G
kk
= 20,35 (kg/h)
Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngng tụ [2-84] :
V
kk
=
).(3600
)273.(.288
hng
kkkk
pp
tG

+
, (m
3
/s)
Với nhiệt độ không khí t
kk
tính theo công thức cho thiết bị ngng tụ trực tiếp
loại khô
[2-84] :
25