thiet ke he thong co dac mot noi co ong tuan hoan trung tam UpGwyTAsX2 20130415033702 577
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (609.75 KB, 65 trang )
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ
HÓA CHẤT
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI
CÓ ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM
SVTH
: Vũ Quảng Trường.
LỚP
: DHHO2A.
0605213
Thành phố Hồ Chí Minh – 4/2009
Trang 1
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
Mục Lục
Lời Mở Đầu................................................................................................................. Trang 5.
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................................... Trang 7.
PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. Trang 8.
1.1. Định nghĩa............................................................................................................ Trang 8.
1.2. Các phương pháp cô đặc...................................................................................... Trang 8.
1.3. Cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm........................................................ Trang 9.
2. Thuyết minh về sơ đồ công nghệ........................................................................... Trang 11.
3. Dung dịch cô đặc CaCl2 ......................................................................................... Trang 12.
3.1. Giới thiệu về dung dịch CaCl2 ............................................................................. Trang 12.
3.2. Ứng dụng của dung dịch CaCl2 ........................................................................... Trang 12.
PHẦN 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................ Trang 14.
PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ...................................................................... Trang 15.
1. Cân bằng vật chất.................................................................................................... Trang 15.
1.1. Phương trình cân bằng vật chất của quá trình cô đặc..................................... Trang 15.
1.2. Tổn thất nhiệt độ trong hệ.................................................................................... Trang 16.
1.2.1. Tổn thất do nồng độ .......................................................................................... Trang 16.
1.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh............................................................... Trang 16.
1.2.3. Tổn thất do trở lực đường ống .......................................................................... Trang 18.
1.2.4. Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống..................................................................... Trang 19.
1.3. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống ........................................... Trang 19.
1.4. Cân bằn nhiệt lượng....................................................................................... Trang 19.
1.4.1. Nhiệt dung riêng ......................................................................................... Trang 19.
1.4.2. Nhiệt lượng riêng .............................................................................................. Trang 20.
Trang 2
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
1.4.3. Phương trình cân bằng nhiệt lượng................................................................... Trang 20.
1.5. Hệ số cấp nhiệt .............................................................................................. Trang 21.
1.5.1. Hệ số cấp nhiệt α1, phía hơi ngưng tụ ......................................................... Trang 22.
1.5.2. Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi ........................................... Trang 22.
1.6. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ......................................................................... Trang 27.
1.7. Bề mặt truyền nhiệt.............................................................................................. Trang 27.
2. Thiết kế chính.......................................................................................................... Trang 27.
2.1. Buồng đốt của nồi cô đặc..................................................................................... Trang 27.
2.1.1. Tính số ống truyền nhiệt ................................................................................... Trang 27.
2.1.2. Đường kính buồng đốt ...................................................................................... Trang 28.
2.1.3. Tính bề dày buồng đốt ...................................................................................... Trang 29.
2.1.4. Tính đáy buồng đốt ........................................................................................... Trang 31.
2.2. Buồng bốc hơi...................................................................................................... Trang 33.
2.2.1. Kích thước của không gian bốc hơi .................................................................. Trang 34.
2.2.2. Thể tích không gian hơi .................................................................................... Trang 35.
2.2.3. Bề dày thân buồng bốc...................................................................................... Trang 36.
2.2.4. Bề dày nắp buồng bốc....................................................................................... Trang 38.
2.3. Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị............................................. Trang 40.
2.4. Đường kính ống dẫn hơi đốt ................................................................................ Trang 40.
2.5. Đường kính ống dẫn dung dịch ........................................................................... Trang 40.
2.6. Đường kính ống dẫn hơi thứ................................................................................ Trang 41.
2.7. Đường kính ống tháo nước ngưng....................................................................... Trang 41.
3. Tính toán thiết kế bình ngưng tụ kiểu ống đứng..................................................... Trang 42.
3.1. Các thông số chính trong thiết bị ngưng tụ.......................................................... Trang 42.
3.2. Tính bề dày của thiết bị ngưng tụ ........................................................................ Trang 46.
Trang 3
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
3.3. Đường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ................................................. Trang 48.
3.4. Đường kính ống tháo nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ .......................................... Trang 48.
3.5. Đường kính ống dẫn hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ ............................................. Trang 48.
4. Bề dày lớp cách nhiệt.............................................................................................. Trang 49.
4.1. Bề dày lớp cách nhiệt ống.................................................................................... Trang 49.
4.2. Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi đốt.......................................................... Trang 49.
4.3. Cách nhiệt cho buồng đốt .................................................................................... Trang 50.
4.4. Cách nhiệt cho buồng bốc.................................................................................... Trang 51.
5. Tính vỉ ống .............................................................................................................. Trang 51.
6. Chọn mặt bích ......................................................................................................... Trang 52.
7. Chọn tai treo............................................................................................................ Trang 54.
7.1. Tai treo cho thiết bị .............................................................................................. Trang 54.
7.2. Thể tích các bộ phận thiết bị ................................................................................ Trang 54.
7.2.1. Thể tích thép làm ống truyền nhiệt ................................................................... Trang 54.
7.2.2. Thể tích thép làm buồng đốt ............................................................................. Trang 54.
7.2.3. Thể tích thép làm buồng bốc............................................................................. Trang 54.
7.2.4. Khối lượng thép làm đáy nón ........................................................................... Trang 55.
7.2.5. Khối lượng thép làm nắp buồng bốc ................................................................ Trang 55.
7.2.6. Thể tích thép làm vỉ ống ................................................................................... Trang 55.
7.3. Khối lượng các bộ phận thiết bị........................................................................... Trang 55.
7.4. Tổng khối lượng của thiết bị................................................................................ Trang 56.
8. Vị trí đặt bồn cao vị................................................................................................. Trang 56.
9. Chọn bơm................................................................................................................ Trang 58.
9.1. Bơm dung dịch..................................................................................................... Trang 58.
9.2. Bơm cung cấp nước cho thiết bị ngưng tụ gián tiếp............................................ Trang 61.
Trang 4
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
10. Tính giá thành của thiết bị..................................................................................... Trang 63.
Kết Luận............................................................................................................... Trang 64.
Tài Liệu Tham Khảo ............................................................................................ Trang 65.
Lời Mở Đầu
Trang 5
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
Trong công nghiệp hóa chất và dầu khí vấn đề thiết kế và chế tạo các thiết bị phục vụ cho
lĩnh vực công nghiệp hóa học là yêu cầu cần thiết đối với các sinh viên được đào tạo chuyên
về khối kỹ thuật hóa học. Từ cách chọn lựa vật liệu, đến các quan hệ phụ thuộc giữa các kích
thước của các chi tiết thiết bị với tính chất của vật liệu; các phép tính toán công nghệ để kiểm
tra độ bền các chi tiết và các phương pháp thiết kế… Tất cả đều nhằm mục đích tìm được điều
kiện tối ưu và thích hợp nhất để tạo ra được sản phẩm có chất lượng cao, có hiệu quả kinh tế
trong các quá trình chế biến sản xuất.
Ngày nay sự phát triển của công nghiệp hóa chất và thực phẩm ngày càng mạnh. Vì thế
nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn là không thể thiếu.
Như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệp, quá trình cô đặc đường để tạo độ ngọt
thích hợp cũng như các quy trình sản xuất xút NaOH, KOH… Ứng dụng trong ngành công
nghiệp mỹ phẩm, tổng hợp các hợp chất hữu cơ và vô cơ… Để tạo ra được các sản phẩm
mong muốn này vấn đề công nghệ là yếu tố then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm. Từ
khâu nhập nguyên liệu đến hàng loạt các khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu… Tất
cả đều phải được tính toán một cách chi tiết để hạn chế rủi ro xảy ra trong quá trình vận hành.
Nắm bắt được những nhu cầu cần thiết trong quá trình chế biến hóa học, cũng như để tiếp
cận với quá trình tính toán công nghệ đã được học từ các môn như: thủy cơ, truyền nhiệt,
truyền khối. Đề tài tính toán thiết kế hệ thống cô đặc một nồi, sẽ đóng góp một phần nhỏ để
giúp các sinh viên khối kỹ thuật hóa học hình dung một cách rõ ràng và chi tiết hơn về các
thiết bị sử dụng trong lĩnh vực hóa chất, thực phẩm và dầu khí. Từ công đoạn chọn vật liệu
chế tạo đến các phần tính toán các thiết bị chính và phụ như: buồng đốt, buồng bốc, hệ thống
ngưng tụ… Cụ thể phần tính toán chi tiết sẽ được trình bày ở phần nội dung công nghệ.
Nhóm Thực Hiện
Trang 6
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
Trang 7
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trang 8
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
CÔ ĐẶC
1.1. Định nghĩa.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng việc đun
sôi. Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hòa
tan được giữ lại trong dung dịch. Do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng 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 gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ
cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóng một thiết bị ngoài
hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực
tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch,
còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng.
Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó
được ứng dụng với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh )
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất
Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường
hay áp suất dư ) trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể gián đoạn hay
liên tục.
1.2. Các phương pháp cô đặc.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn
hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ
Trang 9
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
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 tiếp tục cô đặc.
Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào
liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất
khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có
thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân
không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng
giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt
truyền nhiệt.
Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi
thải của các quá trình sản xuất khác. Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở
nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy
hóa, nhựa hóa, đường hóa …). Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt
ra môi trường xung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường.
Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy 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 được thải ra ngoài không
khí. Phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế.
1.3. Cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm.
Nguyên lý hoặt động của hệ thống cô đặc một nồi có thể tóm tắt như sau:
Phần dưới của thiết bị là phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và ở tâm có ống tuần
hoàn trung tâm có độ lớn tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch cần cô đặc. Dung dịch đi bên
Trang 10
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
trong ống, hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Phía trên phòng
đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi - lỏng còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có
bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc hơi, chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống
tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào phòng đốt. Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn
hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động
từ dưới lên miệng ống. 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 ít hơn vì vậy khối lượng riêng của
hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt. Do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên
xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn
tự nhiên.
Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên
qua bộ phận tách giọt. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ
cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc hơi, còn dung dịch có nồng độ tăng dần.
Khi năng suất của thiết bị lớn, có thể thay một ống tuần hoàn trung tâm bằng một vài ống
có đường kính nhỏ hơn.
Muốn cho dung dịch tuần hoàn tốt thì nên cho dung dịch vào phòng đốt chiếm từ 0,4 –
0,7 chiều cao ống. Tốc độ đi trong ống tuần hoàn chọn khoảng 0,4 – 0,5 m/s. Diện tích thiết
diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 15 – 20% thiết diện của tất các ống truyền nhiệt.
Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm là: cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa, nhưng tốc
độ tuần hoàn còn bé, nên hệ số truyền nhiệt thấp.
Thiết bị loại này dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có thể có
nhiều váng cặn.
2. Thuyết minh về sơ đồ công nghệ.
Trang 11
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
hình 1: sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm.
1. thùng chứa dung dịch; 2. buồng đốt; 3. thiết bị cô đặc; 4.Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng; 5.
thùng chứa nước; 6. thùng chứa hơi thứ ngưng; 7. bơm dung dịch; 8. bơm nước; 9. Bồn cao
vị; 10. thùng chứa nước ngưng tụ; 11. ratomet (lưu lượng kế); 12. thùng chứa sản phẩm; 13.
thùng tháo nước ngưng;
Dung dịch đầu CaCl2 từ thùng chứa dung dịch (1) được bơm vào bồn cao vị (9), từ đây
dung dịch chảy qua lưu lượng kế (11). Ở lưu lượng kế, người ta có thể điều chỉnh lưu lượng
dung dịch CaCl2 đi vào buồng đốt (2). Tại đây dung dịch CaCl2 được đun nóng đến nhiệt độ
sôi. Dung dịch sôi tạo hỗn hợp lỏng - hơi lên buồng bốc, một phần hơi cuốn theo dung dịch
CaCl2 gặp tấm chắn ngưng tụ rồi rơi xuống. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của
thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng (4), ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài
thùng chứa (5), khí không ngưng được tháo ra ngoài qua thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng. Tác
dụng của thiết bị thu hồi bọt là giữ lại những hạt nước ngưng bị khí không ngưng cuốn theo,
Trang 12
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
những giọt nước này lắng lại trong thiết bị cô đặc (3) và sản phẩm được tháo ra ngoài qua
thùng chứa sản phẩm (12). Sản phẩm CaCl2 sau khi ra khỏi buồng bốc có nồng độ đạt yêu cầu
40% và được đưa vào bể chứa sản phẩm (12).
3. Dung dịch cô đặc CaCl2.
3.1. Giới thiệu về dung dịch CaCl2.
Công thức hóa học CaCl2. Khối lượng phân tử 110,99 là
chất có tinh thể màu trắng, có tính hút ẩm mạnh. Nhiệt độ
nóng chảy 772 – 7820C nhiệt độ sôi > 16000C tỷ trọng 2152 2512 kg/m3. Canxiclorua tan nhiều trong nước, dung dịch bão
hòa sôi ở 1800C. Trong các dung dịch có nồng độ khác nhau
thì nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc thay đổi.
Bột Canxiclorua khan thu được khi phun sấy ở nhiệt độ cao hơn 2600C. Khi hòa tan trong
nước tan rất tốt kèm theo toả nhiều nhiệt dung dịch có vị mặn đắng.
3.2. Ứng dụng của dung dịch CaCl2.
Trong công nghiệp CaCl2 là chất có ứng dụng rất nhiều như: trong ngành công nghiệp dệt
nó là một trong những nguyên liệu thô phụ gia hỗ trợ được dùng làm chất hút ẩm, chống
sương mù, chống bụi, và chống cháy trong công nghiệp dệt. Nó cũng được dùng trong tái chế
giấy nhằm tách thành phần mực in, được dùng trong các bể bơi nhằm tránh ô nhiễm. Trong
phụ gia thực phẩm: Food additive: Nó được dùng trong sản xuất kem, là phụ gia đông cứng,
dùng trong sản phẩm đậu, bia, nước giải khát… CaCl2 còn là chất phụ gia cho ngành công
nghiệp sản xuất xi măng pooclăng giúp làm tăng giá trị sản phẩm công nghiệp.
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...
Trang 13
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
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 và được dùng rất nhiều trong công việc khoan dầu khí.
PHẦN 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.
Sơ đồ quy trình công nghệ sẽ được trình bày chi tiết trong bản vẽ A3.
Trang 14
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ.
Các thông số và số liệu ban đầu:
Dung dịch cô đặc: CaCl2
Nồng độ đầu (xđ): 10% , tđ = 250C
Nồng độ cuối (xc): 40%
Áp suất hơi đốt, hơi nước bão hòa (tự chọn): 3 at (132,90C) (st 1, 314)
Áp suất hơi thứ : 1 at (99,10C)
Trang 15
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
Năng suất sản phẩm: 20 kg/h
Áp suất buồng bốc: 1 at (99,10C)
'''
'''
Tổn thất áp suất Δp trên đường ống dẫn hơi thứ tương ứng với tổn thất nhiệt độ Δ
Chọn
(VI.14, STQTTB T2, 60)
Với tht : nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pht ( áp suất hơi thứ ) của hơi thứ, 0C
tnt : nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pnt trong thiết bị ngưng tụ, 0C
1. Cân bằng vật chất.
1.1 . Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi – cô đặc.
Gđ = Gc + W
Gđ.xđ = Gc.xc
với: Gđ, Gc – lưu lượng ban đầu (vào) và cuối cùng (ra) của dung dịch, kg/s.
xđ, xc - nồng độ chất tan trong dung dịch đầu và cuối, phần khối lượng.
W – lương hơi thứ, kg/s.
lượng hơi thứ bốc ra:
Lưu lượng ban đầu của dung dịch:
1.2. Tổn thất nhiệt độ trong hệ.
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh
và tổn thất do trở lực đường ống.
Trang 16
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
1.2.1. Tổn thất do nồng độ.
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên
chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của
Tisenco
Δ’ = Δo’ . f
(VI .10, STQTTB T2, 59)
Trong đó: Δo’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi ở áp suất thường.
f : Hệ số hiệu chỉnh.
(VI.11, STQTTB T2, 59)
với
Với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0K
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/Kg
xc = 40% → Δo’ = 190C
f = 16, 2.
(Bảng VI.2, STQTTB T2, 61)
( 273 + t ht ) 2
T2
= 16,2 .
Với tht =99,1 0C → rht = 2264.103 J/kg (Bảng I.251, STQTTB
rht
r
T1, 314 )
→
f = 0,99
Δ’ = Δo’ . f =19 . 0,99 = 18,81 0C
1.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh.
Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh Δ ’’ (tổn thất nhiệt độ do áp
suất thủy tĩnh tăng cao):
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:
Ptb = P0 + (h1 +
h2
) ρ dds ⋅ g
2
N/m2
(VI.12, STQTTB T2, 60)
Trong đó: P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2
h1 - chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, m
h2 - chiều cao ống truyền nhiệt, m
Trang 17
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
ρdds - khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3
g - gia tốc trọng trường, m/s2.
Vậy ta có:
Δ
’’
= ttb – t0 , độ;
ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C
t0 - nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất p0, 0C
để tính
chọn :
(at)
40
1
119,19
(kg/m3)
1,3455.103
(at)
1,08
Tính Ptb:
để tính tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất khác nhau có thể dung qui tắc Babô. Theo
quy tắc Babô thì quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch loãng p với áp
suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất p0 ở cùng nhiệt độ là không đổi và đối với dung
dịch có nồng độ nhất định quan hệ đó không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi.
Trang 18
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
từ biểu thức này nếu biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng với áp suất nào đó
thì cũng có thể xác định được nhiệt độ sôi ở các áp suất khác nhau.
x% CaCl2
T0C
P (at)
40
119,19
1
tại nhiệt độ 119,19 nước nguyên chất có p = 1,98at
Theo quy tắc babô tỉ lệ trên vẫn giữ nguyên giá trị tại mọi nhiệt độ sôi của dung dịch. Do đó
tại nhiệt độ t:
từ đó xác định được:
như vậy nhiệt độ sôi t của dung dịch CaCl2 ở áp suất 1,08 at bằng nhiệt độ sôi của nước ở áp
suất 2,14 là 121,46 .
0
vậy ta có: Δ' ' = t tb − t 0 = 121,46 − 119,19 = 2,27 C
1.2.3. Tổn thất do trở lực đường ống.
Chọn tổn thất do trở lực đường ống
1.2.4. Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống.
∑ Δ = Δ'+Δ' '+Δ' ' ' = 18,81 + 2,27 + 1 = 22,08 C
0
1.3. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống.
tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống:
Δt = t hd − t nt = 132,9 − 98,1 = 34,8 0 C
tổng chênh lệch hữu ích của cả hệ thống:
Trang 19
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
Δt hi = Δt − ∑ Δ = 34,8 − 22,08 = 12,72 0 C
nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi:
sản phẩm lấy ra ở đáy thiết bị, nhiệt độ cuối của dung dịch trong nồi:
t c = t nt + Δ'+2Δ' '+ Δ' ' ' = 98,1 + 18,81 + 2.2,27 + 1 = 122,45 0 C
1.4. Cân bằn nhiệt lượng.
1.4.1. Nhiệt dung riêng.
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau:
C = 4186.(1 - x), (J/kg.độ); ( I.43, STQTTB T1, 152)
Với : x – nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%) :
Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186.(1 - 0,1) = 3767,4 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức sau:
Cc = Cht . xc + 4186 . ( 1- xc ) , (J/kg.độ) ; (I.44, STQTTB T1, 152)
Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không chứa nước) (J/kg.độ).
Áp dụng công thức (I.41, STQTTB T1, 152)
MCaCl2 .Cht =
MCaCl2: khối lượng mol của muối CaCl2
Cht : nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học, (J/kg.độ)
ni : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất.
ci: nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, (J/kg nguyên tử.độ) (bảng I.141, ST 1,
152)
với : CCa =26000 (J/kg nguyên tử.độ); CCl = 26000 (J/kg nguyên tử.độ)
vậy :
→ Cc = Cht . xc + 4186 . ( 1- xc ) = 702,7.0,4 + 4186.(1 – 0,4) = 2792,68 (J/kg.độ)
1.4.2. Nhiệt lượng riêng.
Trang 20
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
gọi I: nhiệt lượng riêng hơi đốt (J/kg)
i: nhiệt lượng riêng hơi thứ (J/kg)
Tra bảng (I.250, STQTTB T1, 312)
Hơi đốt
TC
I.10-3 (J/kg)
132,90C
2730
0
0
TC
99,10C
Hơi thứ
i.10-3 (J/kg)
2677
1.4.3. Phương trình cân bằng nhiệt lượng.
Cân bằng nhiệt lượng: ∑ nhiệt vào = ∑ nhiệt ra
+ nhiệt lượng vào gồm có:
Do dung dịch đầu: Gđ Cđ tđ ( W )
Do hơi đốt: D(1- ϕ )i’’D ( W )
Độ ẩm của hơi: ϕDcθ
+ nhiệt lượng ra gồm có:
Hơi thứ mang ra : Wi’’W ( W )
Nước ngưng tụ: Dcθ
Sản phẩm mang ra: (Gđ –W)Cc tc ( W )
Nhiệt cô đặc: Qcđ
Nhiệt tổn thất: Qtt = εQ D = εD(1 − ϕ )(i ' ' D −cθ )
tỉ lệ tổn thất nhiệt: ε = 0,05
Bỏ qua nhiệt cô đặc Qcđ ( vì có giá trị tính toán nhỏ )
Độ ẩm của hơi ϕ = 0,05
Phương trình cân bằng nhiệt:
ϕDcθ + D (1 − ϕ )i ' ' D +Gd C d t d = (Gd − W )C c t c + W .i ' 'W + Dcθ + Qtt ± Qcd
Trang 21
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
D=
→
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
Gd (Cc tc − Cd td ) + W(i '' w − Cctc )
(1 − ε ).(1 − ϕ ).(i '' D − cθ )
Nhiệt hóa hơi của nước rhh chính là i '' D − cθ
3
→ i '' D − cθ = rhh = 2171.10 J/kg ( ở Phd = 3 at )
Ta có tc = 122,450C , chọn tđ = 250C
vậy lượng hơi đốt phải dùng là:
→ D=
80(2792,68.122,45 − 3767,4.25) + 60(2677.10 3 − 2792,68.122,45)
= 81,62(kg / h)
(1 − 0,05).(1 − 0,05).(2171.10 3 )
Vậy: D = 81,62 (kg/h)
lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
m=
D 81,62
=
= 1,3603 (kg hơi đốt/kg hơi thứ).
W
60
1.5. Hệ số cấp nhiệt.
quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:
nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và
nhiệt tải riêng q1.
dẫn nhiệt qua thành ống.
nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2.
Δt1 = t hd − t T 1
Ta có: Δt 2 = tT 2 − t c
Δt = Δt1 + Δt 2
Hình 1: sơ đồ truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch qua vách
Trang 22
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
1.5.1. Hệ số cấp nhiệt α1, phía hơi ngưng tụ.
Hệ số cấp nhiệt α1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số α1 đối với hơi bão
hòa ngưng tụ được tính theo công thức (V.101, STQTTB T2, 28).
r
, W/m2.độ
H .Δt1
Trong đó: H: chiều cao ống truyền nhiệt, m.
α 1 = 2,04 A.4
∆t1 = thđ – tT1: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa ) và nhiệt độ
phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng, 0C.
A: là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m =
t hd + t T 1
2
chọn: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng ∆t1
→ t T 1 = t hd − Δt1
→ tm =
t hd + tT 1
2
→ A tra bảng ( STT2/29 ) ,
thd =132,90C → rnước = 2171.103 (J/kg)
r
, (W/m2.độ)
→ q1 = α 1 .Δt1 (W/m2)
H .Δt1
1.5.2. Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi.
α 1 = 2,04 A.4
Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định.
Δt2 = tT2 – tc mà tT2 = tT1 – q1Σr
Với Σr = r1 +r2 +r3
chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, STQTTB T2, 4)
→ r1 = 0,464.10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ/W).
Dung dịch cần cô đặc là CaCl2 theo (V.I, STQTTB T2, 4)
→ r2 = 0,966.10-3 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.độ/W).
Trang 23
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
chọn bề dày của ống truyền nhiệt δ = 0,002 ( m ), vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép crôm –
niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) và hệ số dẫn nhiệt tại tT1 = 129,7 0C, λ = 17,54 (W/m.độ)
(I.125, STQTTB T1, 127)
r3 =
δ 0,002
2
=
= 1,14.10 − 4 ( m .độ/W).
λ 17,54
→ ∑ r = 0,464.10 −3 + 0,966.10 −3 + 1,14.10 −4 = 1,544.10 −3 ( m .độ/W).
2
→ t T 2 = t T 1 − q1 ∑ r = t T 1 − 1,544.10 −3 , ( C )
0
0
→ Δt 2 = t T 2 − t c = t T 2 − 122,45 , ( C )
Tính toán tT1 và tT2 lặp theo bảng sau :
chọn ∆t1 = 30C.
→ t T 1 = t hd − Δt1 = 132,9 − 3 = 129,9 0 C
t +t
132,9 + 129,9
→ t m = hd T 1 =
= 131,4 0 C
2
2
thd =132,90C → rnước = 2171.103 (J/kg)
→ A = 191,42( STT2/29 ) ,
α 1 = 2,04.191,42.4
2171.10 3
2
= 12043 (W/m .độ)
0,8.3
2
q1 = α 1 .Δt1 = 12043.3 = 36129 (W/m )
xem quá trình truyền nhiệt là ổn định
Δt2 = tT2 – tc mà tT2 = tT1 – q1Σr
Với Σr = r1 +r2 +r3
chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, STQTTB T2, 4)
→ r1 = 0,464.10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ/W).
Dung dịch cần cô đặc là CaCl2 theo (V.I, STQTTB T2, 4)
→ r2 = 0,966.10-3 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.độ/W).
chọn bề dày của ống truyền nhiệt δ = 0,002 ( m ), vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép crôm –
niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) và hệ số dẫn nhiệt tại tT1 = 129,7 0C, λ = 17,54 (W/m.độ)
(I.125, STQTTB T1, 127)
Trang 24
Đồ Án Môn Học
Quá Trình Và Thiết Bị
r3 =
Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi
Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm
δ 0,002
2
=
= 1,14.10 − 4 ( m .độ/W).
λ 17,54
→ ∑ r = 0,464.10 −3 + 0,966.10 −3 + 1,14.10 −4 = 1,544.10 −3 ( m .độ/W).
2
→ t T 2 = t T 1 − q1 ∑ r = 129,9 − 36129.1,544.10 −3 = 74,117 0 C
→ Δt 2 = tT 2 − t c = 74,117 − 122,45 = −48,330 C < 0, tiếp tục lặp lần 2.
bảng lặp để xác định tT1 và tT2 :
∆t1
tT1
tm
A
(0C)
(0C )
(0C)
(0C)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
129,9
130,4
130,9
131,4
131,9
132,4
131,4
131,65
131,9
132,15
132,4
132,65
α1
∑r
q1∑ r
tT2
∆tT2
(0C)
(0C)
(0C)
191,42 12043
1,544.
36129
10-3
55,783
74,117
-48,33
191,5 12609
1,544.
10-3
31524
48,672
81,728
-40,72
191,57 13338
1,544.
26676
10-3
41,188
89,712
-32,74
191,65 14338
1,544.
10-3
21507
33,207
98,193
-24,26
191,72 15874
1,544.
10-3
15874
24,51
107,39
-15,06
191,8 18885
1,544.
9442,5
10-3
14,579
117,82
-4,629
1,544.
10-3
7988
12,333
120,17
-2,283
1,544.
10-3
9,9407
122,66
0,2093
q1
(W/m2 (W/m2) (W/m2
.độ)
.độ
0,4
132,5
132,7
191,81 19970
0,3
132,6
132,75
191,83 21461
6438,3
Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấp nhiệt khi
chất lỏng sôi được tính theo công thức (VI.27, STQTTB T2, 71):
Trang 25
