đồ án cô đặc lò đốt tuần hoàn trung tâm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (501.58 KB, 82 trang )
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
Môn học “ Quá trình thiết bị và công nghệ hoá học” nhằm cung cấp, trang bị
cho sinh viên và kỹ sư công nghệ hoá học, thực phẩm những kiến thức cơ bản về các
quá trình và thiết bị để thực hiện các quá trình hoá học. Ngoài ra bộ môn này còn
góp phần đào tạo kỹ sư cho các ngành kỹ thuật sản xuất có đủ khả năng hiểu và vận
hành các thiết bị máy móc trong công nghiệp sản xuất liên quan.
Quá trình và thiết bị được trình bày trong cuốn đồ án này là quá trình và
thiết bị cô đặc. Cô đặc là quá trình được thực hiện nhiều trong sản xuất hoá chất và
thực phẩm nhằm tăng nồng độ của sản phẩm bằng cách lấy bớt dung môi ra. Trong
cuốn đồ án này em được giao nhiệm vụ là “ Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
chiều thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài cô đặc dung dịch KNO 3 với năng suất
10800kg/h. Chiều cao ống gia nhiệt H=5 m.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn cô giáo bộ môn
quá trình và thiết bị Nguyễn Thị Thu Huyền đã hướng dẫn tận tình, giúp em hoàn
thành đồ án này. Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh được sai sót,
kính mong được sự giúp đỡ của cô.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên
Phạm Văn Tuyến
Phần I. PHẦN MỞ ĐẦU
I.Giới thiệu về NaOH:
Natri hiđroxit hay hyđroxit natri (công thức hóa học NaOH) hay thường được gọi là xút hoặc xút
ăn da. Natri hydroxit tạo thành dung dịch kiềm mạnh khi hòa tan trong dung môi như nước. Nó
được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy
rửa. Sản lượng trên thế giới năm 1998 vào khoảng 45 triệu tấn. Natri hydroxit cũng được sử
dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm.
Natri hydroxit tinh khiết là chất rắn có màu trắng ở dạng
viên, vảy hoặc hạt hoặc ở dạng dung dịch bão hòa 50%. Natri hydroxit rất dễ hấp thụ CO2 trong
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
không khí vì vậy nó thường được bảo quản ở trong bình có nắp kín. Nó phản ứng mãnh liệt với
nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn, hòa tan trong etanol và metanol. Nó cũng hòa tan
trong ete và các dung môi không phân cực, và để lại màu vàng trên giấy và sợi.
Một số tính chất của NAOH:
Phản ứng với các axít và ôxít axít tạo thành muối và nước
NaOH(dd) + HCl(dd) → NaCl(dd) + H2O
2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O
Phản ứng với cacbon điôxít
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 → NaHCO3
Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este:
• Phản ứng với muối tạo thành bazơ mới và muối mới:
2 NaOH + CuCl2 → 2 NaCl + Cu(OH)2↓
II.Giới thiệu về cô đặc:
1.QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan
không bay hơi, ở nhiệt độ sôi.
Mục đích của quá trình cô đặc là:
-Làm tăng nồng độ chất tan,
-Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ,
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
-Thu được dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất).
Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất
thường, áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống nhiều
thiết bị cô đặc. Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong quá trình
cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi
lớn nên thường làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài dây
chuyền công nghệ cô đặc gọi là hơi phụ.
Cô đặc chân không được dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ
bị phân hủy về nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ
trung bình của dung dịch (gọi là 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 hơn
có thể tận dụng nhiệt thừa của quá trình sản xuất 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 hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ
cho cô đặc và các quá trình đun nóng khác.
2.CÔ ĐẶC NHIỀU NỒI:
Khi cô đặc một nồi sẽ gây lãng phí nhiên liệu, làm cho quá trình sản xuất không đạt
được hiệu quả cao. Do đó để tận dụng hơi thứ thay cho hơi đốt , chúng ta sử dụng
hệ thống cô đặc nhiều nồi.
Nguyên tắc của hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:
Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vào nồi thứ hai.
Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào nồi thứ 3,….hơi thứ của nồi cuối cùng được
đưa vào nồi ngưng tụ. Dung dịch được đưa từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung
dịch được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt cho mỗi nồi là phải có sự chênh lệch nhiêt độ
giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói một cách khác là phải có sự chênh lệch áp
suất giữa hơi thứ và hơi đốt trong các nồi. Nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi
phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì
nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối cùng làm việc ở áp suất chân không.
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
4
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Hệ thống cô đặc nhiều nồi được dùng khá phổ biến trong sản xuất.
Phần II. SƠ ĐỒ MÔ TẢ DÂY CHUYỂN SẢN XUẤT
I. Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều:
*Thuyết minh sơ đồ (nguyên lý làm việc của hệ thống):
Dung dịch NaOh đầu có nồng độ 5% từ bồn chứa nguyên liệu được bơm lên
thùng cao vị nhờ bơm nhập liệu. Bồn cao vị được thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định
mức chất lỏng có trong bồn. Sau đó nguyên liệu đi qua bộ phận đo lưu lượng kế đảm
bảo lưu lượng nhập liệu là 10800 kg/h.
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
5
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Dung dịch được đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ( thiết bị loại ống
chùm ). Mục đích dung thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là để giảm chi phí hơi đốt và
giảm thời gian gia nhiệt trong thiết bị cô đặc. Tại đây dung dịch được nâng lên đến
nhiệt độ sôi bằng hơi bão hòa được cung cấp từ ngoài vào. Sau khi trao đổi nhiệt thì
hơi ngưng tụ thành nước theo đường ống chảy vào thùng chứa, trên đường tháo
nước ngưng có lắp bẫy hơi để không cho hơi theo nước ngưng ra ngoài.
Dung dịch sau khi gia nhiệt đến trạng thái sôi thì đi vào nồi cô đặc I . Hơi đốt
được cung cấp vào buồng đốt của nồi I là hơi bão hòa có áp suất 4 at. Dưới tác dụng
của hơi đốt của buồng đốt, hơi thứ được bốc lên và đẫn qua buồng đốt của nồi II để
gia nhiệt cho quá trình cô đặc tiếp theo. Hơi đốt của nồi I sau khi ngưng tụ được
dẫn ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng, sau đó chảy vào thùng chứa. Phần khí
không ngưng trong hơi đốt của nồi I được dẫn đến bộ phận tách giọt được bơm
chân không hút ra ngoài.
Tương tự quá trình diễn ra ở nồi I, dung dịch ở nồi II được cô đặc. Sau khi ra
khỏi nồi II dung dịch đạt nồng độ 24% được bơm tháo liệu đưa vào thùng chứa sản
phẩm. Hơi thứ nồi II được dẫn qua thiết bị ngưng tụ Bromet. Tại thiết bị ngưng tụ
Baromet hơi bốc từ dưới lên gặp nước lạnh từ trên xuống khí được ngưng tụ một
phần thành nước, phần hơi không ngưng sẽ đi vào thiết bị phân ly lỏng hơi để tách
hơi có lẫn giọt lỏng ra khỏi nhau, hơi được bơm chân không hút ra ngoài còn hơi
thứ ngưng tụ được ngưng tụ và dẫn về ống Baromet chảy về bồn chứa. Thùng chứa
nước ngưng có lắp ống để nối với cống xả, khi cần xả lượng nước ngưng thừa.
II. Sơ đồ dây chuyền công nghệ:
1,2 - Bể chứa dung dịch đầu.
3 – Thùng cao vị
4 – Lưu lượng kế.
5 - Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6,7 - Nồi cô đặc 1, 2.
8 – Baromet.
9 – Hút chân không
10 –Thùng chứa sản phẩm.
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
11 – Bơm chân không.
12- Thùng chứa nước ngưng
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
7
DungdÞchdÇu
1
2
4
3
hoi nuoc
bao hoa
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
6
N ícng ng
5
7
N ícng ng
N ícng ng
8
N íclµml¹nh
12
B¬mch©nkh«ng
10
DungdÞchmuèi
9
11
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ
nồi nọ sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất. Loại này
có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất
giữa các nồi. Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch đi vào mỗi
nồi (trừ nồi 1) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được
làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình
tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của
dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt.
Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dung dịch trước khi vào nồi nấu đầu cần được đun
nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp
dần, nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng
nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Phần III: TÍNH TOÁN
I. Tính toán thiết bị chính
1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống:
Áp dụng công thức :
W = Gđ ( 1 -
xđ
xc
)
(ct 3.20) [1 – 150]
Trong đó:
W: Tổng lượng hơi thứ bốc ra; kg/h
Gđ =3 (kg/s) = 10800(kg/h)
xđ = 5 %; xc = 24%
W = 10800 .(1 −
→
5
) = 8550
24
[kg/h]
2. Tính sơ bộ lượng hơi thức bốc ra ở mỗi nồi:
Chọn tỷ lệ hơi thứ:
Ta có:w = w1+ w2 = 2,1w1
W1 =
W
2,1
=
8550
2,1
= 4071,43 [kg/h]
W2 = 1,1.w1 = 4478,57 [kg/h]
3. Nồng độ cuối của dung dịch trong nồi:
Được tính theo công thức:
x1 =
Gđ .xđ
Gđ − W1
(3.22) [1 – 151]
Ta có:
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
10
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
x1 =
x2 =
x2 =
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
10800 .5
= 8,025
10800 − 4071,43
%
Gđ .x đ
Gđ − (W1 + W2 )
10800 .5
= 24
10800 − 8550
(3.23) [1 – 151]
%
(thỏa mãn)
Trong đó:
W: tổng lượng hơi thứ của hệ thống
W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1
W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2
x c1
xc 2
: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1
: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi
Vậy:
x1 = 8,025 ( % khối lượng )
x2 =24 ( % khối lượng )
4. Chênh lệch áp suất chung của hệ thống, ∆P
∆P được đo bằng hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp P 1 ở nồi 1 và áp suất hơi
thứ trong thiết bị ngưng tụ Png
Do đó ta có:
∆P = P1 - Png = 4 – 0,2 = 3,8 (at)
(1)
Рhd1: áp suất hơi đốt nồi 1
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
11
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Рng áp suất hơi nước ngưng
5. Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt trong mỗi nồi:
Ta có: chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi :
∆p1
∆p2
=
2, 2
1
(at)
(2)
Từ (1) và(2) ta có hệ phương trình :
∆p1 + ∆p 2 = 3,8
∆p1
∆p = 2,2
2
Giải ra ta được :
∆p1 = 2,6125(at )
∆p 2 = 1,1875 (at )
Do đó:
P1 = Phd = 4 [at]
P2 = P1 - ∆P1 = 4 – 2,6125 = 1,3875 [at]
Png = P2 - ∆P2 = 1,3875 – 1,1875 = 0,2 [at]
(phù hợp)
Nhiệt độ hơi đốt của từng nồi (Ti): được xác định bằng cách
Tra bảng I.251 [2-314,315] (Tính chất của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp
suất)
Ứng với giá trị áp suất vừa tính được trên ta tìm được các nhiệt độ hơi đốt tương
ứng như sau:
P1 = 4 at
→
T 1 = 142,9 oC
P2 = 1,3875 at
→
T2 = 108,42 oC
Png = 0,2 at
→
Tng = 59,7 oC
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Nhiệt lượng riêng (ii) và nhiệt hóa hơi (ri) của hơi đốt theo áp suất Pi.
Tra bảng I.251 [I -314,315], ta có:
P1 = 4 at
P 2 = 1,3875 at
T1 = 142,9 oC
T2 = 108,42 oC
i1 = 2744.103 J/kg
i 2 = 2692,56.103 J/kg
r1 = 2141.103 J/kg
r 2 = 2237,75.103 J/kg
6. Nhiệt độ (t'i) và áp suất hơi thứ (P'i) ra khỏi từng nồi:
- Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi (t'i) được xác định:
t'i = Ti+1 +∆'''I (oC)
Trong đó:
Ti+1 : Nhiệt độ hơi đốt trong nồi thứ i+1; [oC]
T1 = 142,9 oC
T2 = 108,42 oC
∆'''i : (Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống). Thường chọn ∆''' i = 1-1,5 oC. Để đơn
giản ta chọn ∆'''1 =1: ∆'''2 = 1,1oC
t'1 = T2 + ∆'''1 = 108,42 + 1 = 109,42 oC
t'2 = Tng + ∆'''2 = 59,7 +1,1 = 60,8 oC
Áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi (P' i); từ đó suy ra nhiệt lượng riêng (i' i) và nhiệt
hóa hơi (r'i) của hơi thứ. Theo bảng I.251, [2-314,315]
t'1 = 109,42 oC
t' 2 = 60,8 oC
P'1 = 1,436 at
P' 2 = 0,212 at
i'1 = 2694,8.103 J/kg
i' 2 = 2608,589.103 J/kg
r'1 = 2235,2.103 J/kg
r'2 = 2355,311.103 J/kg
Bảng số liệu 1:
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Hơi đốt
X
Hơi thứ
%
Nồi
P,
T
i.103
r.103
p’
t’
at
o
C
J/kg
J/kg
at
o
1
4
142,9
2744
2141
2
1,3857
108,42
2692,56
2237,7
5
i’.103
r’.103
C
J/kg
J/kg
1,436
109,42
2694,8
0,212
60,8
2608,589
2235,2
8,025
2355,311
24
7. Tổn thất nhiệt độ do từng nồi:
Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ. Tổng tổn thất này bằng tổn
thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi (∆')
do cột áp suất thủy lực (∆'') trong nồi và do trở lực thủy lực (∆''')
a/ Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi (∆'):
Phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi vào nồng độ và
áp suất của chúng. ∆' ở áp suất bất kỳ được xác định theo Tysenco:
∆'
i = 16,2.
∆'
0i
.
T 2i
ri
Trong đó:
∆'0: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi ở nhiệt độ nhất định và áp suất khí quyển.
Giá trị ∆'0 được tra từ bảng VI.2 [3-67]:
Nồi 1:
x1 = 8,025 %
→ ∆'01 = 2,089oC
Nồi 2:
x2 = 24%
→ ∆'02 = 11,4 oC
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
14
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
T'i : Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (nhiệt độ hơi thứ ra
khỏi mỗi nồi), (oK)
T'1 = 109,42 + 273 =382,42
T'2 = 60,8 + 273
(K)
= 333,8 (K)
r'i : Ẩn nhiệt hóa hơi của dung dịch nguyên chất ở áp suất làm việc, [J/kg]
Từ bảng số liệu 1: r'1 = 2235,2.103
(J/kg)
r'2 = 2355,311.103
(J/kg)
Từ đó tính được:
∆ '1 = 16,2.2,089.
∆' 2 = 16,2.11,4.
382 ,422
=
2235,2.10 3
2,214 (oC)
333,8 2
=
2355,311.10 3
8,737 (oC)
Tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao:
= ∆1’+ ∆2’ = 2,214 + 8,737 = 10,951 (ºC)
b/ Tổng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
Tổn thất này do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung dịch ở trên mặt thoáng. Thường tính toán ở khoảng giữa ống truyền nhiệt:
Ptbi = P0i + (h1 +
h2
g
).ρ ddsi .
2
2
, (N/m2)
Để thuận tiện cho tính toán ta chuyển sang đơn vị tính atm. Lúc đó công thức
trên trở thành:
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
15
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Ptbi = P0i + (h1 +
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
h2
g
).ρ ddsi .
2
2.9,81 .10 4
, (at)
Với g = 9,81 m/s2 : Gia tốc trọng trường
Trong đó:
Poi : Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng, (at)
Theo bảng số liệu 1:
Po1 = 1,436 at
Po2 = 0,212 at
h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của
dung dịch, h1 = 0,5 m
h2 : Chiều cao ống truyền nhiệt, h2 = 2m
ρddsi : Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi.
Tra từ bảng I.22 [2- 34]
Nồi 1: x1 = 8,025%
→ ρdds1 = 1087,275 (kg/m3)
T1 =109,42 oC
Nồi 2: x2 =
24 % → ρdds2 = 1263 (kg/m3)
T2 = 60.8oC
Vậy ta có:
2 1087 ,275.9,81
Ptb1 = 1,436 + (0,5 + ).
= 1,518
2 2.9,81 .10 4
2 1263.9,81
Ptb2 = 0,212 + (0,5 + ).
= 0.307
2 2.9,81 .10 4
[at]
[at]
- Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb vừa tính được xác định bằng cách tra bảng I.251
[2-314]
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
16
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Ptb1=1,518at → ttb1 = 111,06 oC
Ptb2 = 0,307 at → ttb2 = 69,17 oC
* Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
∆' 'i = t tb1 − t 0i = t tb1 − t ' i
'
Trong đó:
ttbi; toi là nhiệt độ ứng với các áp suất Ptbi; Poi
→ ∆''1 = 111,06 – 109,42 = 1,64 [oC]
→ ∆''2 = 69,17 – 60.8 = 8,37 [oC]
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:
= ∆''1 +∆''2 =1,64 +8,37 =10,01 [oC]
c/ Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống: (∆''')
Trong mục 6 khi tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã chọn:
∆'''1= 1oC ;∆'''2 = 1,1oC
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống bằng:
∆' ' ' = ∆' ' '1 + ∆' ' ' 2 = 1 + 1,1 = 2,1
[oC]
d/ Tổng nhiệt độ tổn thất bằng:
= + + =10,951 +10,01 +2,1=23,061 [oC]
8. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống.
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:
2
2
i =1
i =1
∑ ∆Ti = T1 − Tng − ∑ ∆
Theo công thức VI.17 và VI.18 [3-67]
Trong đó:
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
17
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
: Nhiệt độ hơi đốt ở nồi i; oC
Ti
Tng : Nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ; oC
2
∑∆
i =1
:Tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi; oC
Ta có:
T1 = 142,9 oC
Tng = 59,7 oC
2
∑∆
i =1
= 23,061 oC
Vậy:
2
∑ ∆T
i =1
i
= 142,9 − 59,7 − 23,061 = 60,139
[oC]
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:là hệ số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt T i
và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc:
∆Ti = Ti − t si = Ti − t 'i −∆'i − ∆' 'i
[oC]
Ta có:
∆T1 = T1 − t s1 = T1 − t '1 −∆'1 −∆' '1
= 142,9 –109,42 –2,214 – 1,64
=29,626[oC]
∆T2 = T2 − t s 2 = T2 − t ' 2 −∆'2 −∆' '2
= 108,42 – 60,8 – 8,737 – 8,37
= 30,513 [oC]
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
18
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Nhiệt độ sôi của từng nồi:
t si = t 'i + ∆'i + ∆' 'i
Ta có:
t s1 = t '1 + ∆'1 + ∆' '1 = 109,42 + 2,214 + 1,64 = 113,274
[oC]
t s 2 = t ' 2 + ∆' 2 + ∆' ' 2 = 60,8 + 8,737 + 8,37 = 77,907
[oC]
Bảng số liệu 2:
Nồi
∆', oC
∆'', oC
∆''', oC
∆T, oC
ts, oC
1
2,214
1,64
1
29,626
113,274
2
8,737
8,37
1,1
30,513
77,907
9. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt D i,
lượng hơi thứ Wi ở từng nồi.
a. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng:
Giải thích các kí hiệu trong sơ đồ:
- Gđ
: Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị; kg/h
Gđ = 10800 kg/h
-D
: Lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất; kg/h
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
19
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
-W1, W2
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
: Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1,2 ; kg/h
- C0; C1; C2: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2; J/kg.độ
- Cnc1, Cnc2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2; J/kg độ
- tso, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2; oC
- θ1, θ2: Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 ; oC
- i1 , i 2
: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2; J/kg.độ
- i'1, i'2
: Nhệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2; J/kg.độ
- Qm1, Qm1 : Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2;
b. Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Được thành lập dựa trên nguyên tắc:
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
Nồi 1:
D.i1 + Gđ .Co .t so = W1 .i '1 +(Gđ − W1 ).C1 .t s1 + D.C nc1 .θ1 + Qm1
Nồi 2:
W1 .i2 + (Gđ − W1 ).C1 .t s1 = W2 .i ' 2 +(Gđ − W1 − W2 ).C 2 .t s 2 + W1 .C nc2 .θ 2 + Qm 2
Và:
W1 + W2 = W
•
Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:
θ1=142,9oC
θ2 = 108,42 oC
•
Nhiệt độ sôi của từng nồi:
→ ts1 =113,274 oC
→ ts2 = 77,907 oC
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
20
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn, người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nhiệt độ
càng cao càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt lượng thừa của các quá
trình sản xuất khác.
Do đó có thể chọn: tso = ts1 = 113,274oC
•
Nhiệt dung riêng của nước ngưng – tra theo nhiệt độ nước ngưng ở từng nồi –
Bảng I.249 [2-311] , Ta có:
θ1 = 142,9oC→ Cnc1 = 4294,25 J/kg.độ
θ2 = 108,42 oC → Cnc2 = 4230,946 J/kg.độ
•
Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2:
- Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xo = 5 %< 20% là dung dịch loãng.
Áp dụng công thức I.43, [2-152]. Ta có:
Co = 4186(1 – xo) = 4186(1 – 0,05)
= 3976,7 (J/kg.độ)
- Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ là x1 = 8,025%< 20% là dung dịch loãng
Cũng áp dụng công thức trên ta có:
C1 = 4186(1 – x1) = 4186(1 – 0,08025)
= 3850,0735 (J/kg.độ)
- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ là x2 = 24 %>20%
Áp dụng công thức I.44, [1-152]
C2 = Cht.x2 + 4186(1 – x2) ; J/kg.độ
Với Cht là nhiệt dung riêng của NaOH khan được xác định theo công thức I.41, [1152] :
m1.Cht = n1C1 + n2C2 + n3C3
Trong đó:
m1 : KLPT NaOH : m1 = 40
n1 : Số nguyên tử Na : n1 = 1
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
21
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
n2 : Số nguyên tử O : n2 = 1
n3 : Số nguyên tử H : n3 = 1
C1, C2, C3 : Nhiệt dung riêng nguyên tử của Na, O, H. Tra từ bảng I.141 [1-152]
C1 = 26000 J/kg.nguyên tử.độ
C2 = 16800 J/kg.nguyên tử.độ
C3 = 9630 J/kg.nguyên tử.độ
Vậy:
C ht =
26000 + 16800 + 9630
= 1310,75
40
J/kg.độ
C2 = 4186(1 – 0,24)+1310,75.0,24
= 3495,94 J/kg.độ
•
Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:
•
Với nồi 1:
Lượng nhiệt mang vào:
do dung dịch đầu :
do hơi đốt:
G d C0 t s0
Di1
Lượng nhiệt mang ra:
do sản phẩm mang ra:
do hơi thứ :
( G d − W1 ) C1t s1
W1i1'
DCnc1θ1
do nước ngưng:
do tổn thất Qm1:Qm1 = 0,05.D.(i1 – Cnc1.θ1)
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
22
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Di1 + G d C0 t s0 = W1i1' + ( G d − W1 ) C1t s1 + DCθnc1 1 Q
+
•
m1
Với nồi 2:
Lượng nhiệt mang vào:
do hơi đốt:
W1i 2
do dung dịch từ nồi 1:
( G d − W1 ) C1t s1
Lượng nhiệt mang ra :
do hơi thứ :
W2i 2 '
do dung dịch mang ra:
W1Cθnc2
do nước ngưng:
do tổn thất Qm2:
( G d − W1 − W2 ) C2 t s2
2
Q m2 = 0, 05W1 ( i 2 − Cθnc2
2
)
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 2:
W1i 2 + ( G d − W1 ) C1 t s1 = W2i 2 ' + ( G d − W1 − W2 ) C2 t s2 + W1Cθnc2 2 Q
+
m2
Kết hợp phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1 và nồi 2 với phương trình
W1 +W2 = W
ta có hệ phương trình:
+ 05.D.(i 1 C
− nc1
. θ
)1
Di1 + G d C0 t s0 = W1i1' + ( G d − W1 ) C1t s1 + DCθnc1 1 0,
+ 05W i1 ( 2 C
− nc2
θ
W1i 2 + ( G d − W1 ) C1t s1 = W2i 2 ' + ( G d − W1 − W2 ) C2 t s2 + W1Cθnc2 2 0,
W + W = W
2
1
2
)
:Giải hệ phương trình ta được
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
23
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
W ( i 2 ' − C2 t s2 ) + G d ( C 2 t s2 − C1t s1 )
W1 =
0,95 ( i 2 − Cθnc2 2 ) C
− t 1 s1 i+' 2
D = G d ( C1t s1 − C0 t s0 ) + W1 ( i1' − C1t s1 )
0,95 ( i1 − Cθnc1 1 )
W2 = W − W1
Thay số vào ta được:
=
W1
D=
8550.(2608 589 - 3495,94.77,907) + 10800.(349 5,94.77,907 - 3850,0735 .113,274)
= 4236,42
0,95.(2692560 - 4230,946.108,42) - 3850,0735 .113,274 + 2608589
10800.(385 0,0735 .113,274 - 3976,7.113,274) + 4236,42.(2694800 - 3850,0735 .113,274)
= 4651,5
0,95.(2744000 - 4294,25 .142,9)
W1 = 4236,42 (kg/h)
W2 = 4313,58 (kg/h)
D = 4651,5 (kg/h)
Xác định lại tỷ lệ phân phối :
W1 :W2=4236,42 : 4313,58 = 1 :1,018.
Kiểm tra sai số :
ε1 =
•
Với nồi 1:
ε2 =
•
Với nồi 2:
4071,43 - 4236,42
4071,43
.100% = 4,05% < 5%
4478,57 - 4313,58
4478,57
.100% = 3,7% < 5%
Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận được giả thiết phân phối hơi thứ.
Bảng số liệu 3
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
24
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Nồi
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
Cddi
Cnci j/kg.độ
θ
i
J/Kg.độ
, oC
Wi, kg/h
Giả thiết
Tính toán
Sai số
ε
%
1
3850,0735
4294,25
142,9
4071,43
4236,42
4,05
2
3495,94
4230,946
108,42
4478,57
4313,58
3,7
10. Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:
a. Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi.
- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 là
∆t1i.
- Với điều kiện làm việc của phòng đốt trung tâm thẳng đứng H = 2m; hơi ngưng
bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng, hệ số cấp nhiệt được tính theo
công thức: V.101 [2-28] :
α 1i = 2,04. A.(
ri
∆t1i .H
) 0, 25
, W/m2.độ
Trong đó:
α 1i
∆t1i
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi i, [W/m 2độ]
: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi
ngưng của nồi i. [oC]
Giả thiết:
∆t11=2,75oC
∆t12 = 2,6oC
Phạm Văn Tuyến – CNKT MÔI TRƯỜNG - K513
25
