Cô-đặc-NaOH-tuần-hoàn-tâm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (225.3 KB, 24 trang )
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH – THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU LOẠI CÓ
ỐNG TUẦN HOÀN Ở TÂM ĐỂ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH VỚI NĂNG SUẤT
4,7 KG/S.
Người thiết kế:
Lớp, khóa :
Người hướng dẫn : GVC.TS. Phùng Lan Hương
HÀ NỘI 2012
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
I – LÝ THUYẾT VỀ CÔ ĐẶC :
1.1 LÝ THUYẾT 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, nhằm 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 (cất nước)
…
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 hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống
nhiều thiết bị cô đặc. Quá trình có thể tiến hành 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 được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc sau. Nếu “hơi thứ”
được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”.
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ phân
hủy 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 tận dụng nhiệt
thừa của các 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 các quá
trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác.
Còn cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra
ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong thiết bị 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.
1.2NGUYÊN LÝ CÔ ĐẶC :
Cả 2 phương pháp cô đặc dùng phòng đốt ngoài và dùng ống tuần hoàn ở tâm đều
dựa trên nguyên lý : hơi đốt đi ngoài ống truyền nhiệt, dung dịch đi trong ống truyền
nhiệt; dung dịch bị đung nóng đến nhiệt độ sôi và tạo thành hỗn hợp lỏng hơi; sau đó
phần hơi (hơi thứ) được tách ra ở phía trên còn dung dịch tiếp tục được tuần hoàn để
tiếp tục được cô đặc lên nồng độ cao hơn.
1.3PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 2 NỒI XUÔI CHIỀU :
Cô đặc 2 nồi ( hay nhiều nồi) là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý
nghĩa về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi có thể có thể tóm tắt như
sau :
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi 1 dùng làm hơi
đốt cho nồi 2…. Hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi
lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần
lên.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến do có ưu điểm :
Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất
giữa các nồi.
Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả cao về mặt kinh tế, về sử dụng hơi thứ
thay cho hơi đốt.
Nhược điểm :
Hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
1.4CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC :
1.4.1 Thiết bị cô đặc loại có ống tuần hoàn ở tâm:
Cấu tạo :
1.
2.
3.
4.
5.
Thùng chứa hh đầu
Thùng cao vị
12. Bơm ly tâm
Tbi gia nhiệt hh đầu
6,7.Thiết bị tháo nước ngưng
8,9.Buồng đốt nồi cô đặc
10. Thiết bị ngưng tụ Bazomet
11. Thiết bị thu hồi bọt
13. Bể chứa nước ngưng
14. Thùng chứa sản phẩm
Nguyên lý hoạt động :
Dung dịch đầu từ thùng chứa 1 được bơm vào thùng 3, sau đó chảy qua lưu lượng kế
4 vào thiết bị đun nóng 5. Ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đi vào
thiết bị cô đặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ và khí không ngưng đi qua phần
trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ.
Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh đi từ trên xuống, ở đây hơi thứ sẽ được ngưng
tụ lại thành lỏng chảy qua ống 11 ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thi ết bị thu hồi
bọt 10 rồi vào bơm hút chân không. Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ở d ưới đáy
của thiết bị cô đặc đi vào thùng chứa 8.
1.4.2 THIẾT BỊ CÔ ĐẶC LOẠI PHÒNG ĐỐT NGOÀI :
Cấu tạo :
1. Phòng đốt
2. Phòng bốc hơi
3. Ống tuần hoàn
4. Bộ phận tách bọt
5. Ống dẫn hỗn hợp lỏng hơi
Nguyên lý hoạt động :
Trên hình vẽ là thiết bị cô đặc loại phòng đốt ngoài kiểu đứng. Dung dịch đi vào
phòng đốt 1 được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi đi qua ống 5 vào phòng bốc h ơi, ở
đây hơi thứ được tách ra và đi lên phía trên, dung dịch còn lại về phòng đốt 1 theo ống
tuần hoàn 3. Các ống truyền nhiệt có thể làm dài (đến 7m) nên cường độ tuần hoàn lớn
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
do đó cường độ bốc hơi lớn. Đôi khi người ta ghép một vài phòng đốt vào m ột buồng
bốc hơi để làm việc thay thế khi cần làm sạch và sữa chửa để đảm bảo quá trình làm
việc liên tục.
Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài còn có kiểu nằm ngang, loại này có phòng đốt 1 là
thiết bị truyền nhiệt ống chữ U.
II – SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT :
-
Dây chuyền hệ thống cô đặc : (hình vẽ)
Cấu tạo :
1. Thùng chứa hỗn hợp đầu
10. Thiết bị ngưng tụ Baromet
2. Thùng cao vị
11. Thiết bị thu hồi bọt
3; 12. Bơm ly tâm
13. Bể chứa nước ngưng
4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
14. Thùng chứa sản phẩm
5; 6; 7. Thiết bị tháo nước ngưng
8; 9. Buồng đốt của nồi cô đặc
SVTH :
Nguyên lý làm việc : Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều
Trình tự làm việc :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Dung dịch đầu (NaOH) được đưa vào thùng (1). Sau đó được bơm (3) đưa vào thùng
cao vị (2). Ở thiết bị trao đổi nhiệt (4) dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhi ệt độ sôi
rồi đi vào buồng đốt (8) của nồi một, ở đây dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng
thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt
được đưa vào đi trong không gian ngoài ống để đun nóng dung dịch. Nước ngưng được
đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng (6). Dung môi bốc hơi lên trên buồng
bốc của nồi 1 được gọi là hơi thứ. Hơi thứ của nồi 1 được dùng làm hơi đốt cho nồi 2.
Dung dịch từ nồi 1 tự chảy sang nồi 2 do sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp
suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn nhiệt độ của
nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung
dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi, gọi là
quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi 1 có nhiệt độ sôi nhỏ hơn nhiệt độ
sôi của dung dịch nên phải đun nóng sơ bộ dung dịch đầu trước khi đi vào buồng đốt
của nồi 1. Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được bơm (12) đưa vào thùng chứa sản phẩm
(14). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (10) . Trong
thiết bị ngưng tụ này nước lạnh đi từ trên xuống, hơi cần ngưng đi từ dưới lên, hơi
được ngưng tụ chảy qua ống Baromet ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu
hồi bọt (11) rồi vào bơm hút chân không.
III – TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH :
Các thông số và số liệu ban đầu :
1.
Dung dịch cô đặc : NaOH
Nồng độ ban đầu (Xđ) : 10% khối lượng
Nồng độ cuối (Xc) : 24% khối lượng
Áp suất của hơi đốt (P1) : 5 at
Áp suất của hơi ngưng tụ (Png) : 0,2 at
Chiều cao ống truyền nhiệt (H) : 2 m
Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ = 4,7 kg/s = 16920 kg/h
Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W :
W = Gđ . (1 - ) [kg/h]
= 16920 . (1 - ) = 9870
[kg/h]
2. Tính lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi Wi :
Giả thiết : W1 : W2 = 1 : 1,1
Suy ra : W1 = 9870 . = 4700 [kg/h]
W2 = 9870 – 4700 = 5170 [kg/h]
3. Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi :
+ Nồi 1 : X1 = = = 13,846 (%)
+ Nồi 2 : X2 = Xc = 24 (%)
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
4. Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P : chênh lệch áp suất ΔP là hiệu số
giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ
png :
ΔP = p1 – png , [at]
= 5 – 0,2 = 4,8 [at]
5. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi :
- Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi :
ΔP1 : ΔP2 = 2,4 : 1
Suy ra : ΔP1 = = = 3,388 [at]
p1 = 5 at → p2 = p1 - ΔP1 = 5 – 3,388 = 1,612 [at]
Tra bảng I.251 trang 314, 315 sách “Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất t ập
1” ,ta có :
+ Nồi 1 : Với P1 = 5 at, ta có :
Nhiệt độ hơi đốt : T1 = 151,1 °C
Nhiệt lượng riêng : i1 = 2754 . 103 J/kg
Nhiệt hóa hơi : r1 = 2117 . 103
J/kg
+ Nồi 2 : Với P2 = 1,612 at, ta có :
Nhiệt độ hơi đốt : T2 = 112,916 °C
Nhiệt lượng riêng : i2 = 2703,36 . 103
Nhiệt hóa hơi : r2 = 2226,4 . 103
J/kg
J/kg
+ Với Png = 0,2 at ta được nhiệt độ : Tng = 59,7 °C
6. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi :
ti’ : nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi i
Δi’’’ : tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn.
Ta chọn : Δ1’’’ = Δ2’’’ = 1 °C
ti’ = Ti+1 + Δi’’’
Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 :
t1’ = T2 + Δ1’’’ = 112,916 + 1 = 113,916 °C
Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 :
t2’ = Tng + Δ2’’’ = 59,7 + 1 = 60,7 °C
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Tra bảng I.251 trang 314, 315 sách “Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất t ập
1” ,ta có :
+ Nồi 1 : với t1’ = 113,916 °C
Áp suất hơi thứ : p1’ = 1,668
at
Nhiệt lượng riêng của hơi : i1’ = 2705,03 . 103 J/kg
Nhiệt hóa hơi : r1’ = 2223,62 . 103
J/kg
+ Nồi 2 : với t2’ = 60,7 °C
Áp suất hơi thứ : p2’ = 0,211 at
Nhiệt lượng riêng của hơi : i2’ = 2608,44 . 103 J/kg
Nhiệt hóa hơi : r2’ = 2355,56 . 103
J/kg
Lập bảng tổng hợp số liệu 1 :
Hơi đốt
Hơi thứ
Nồ
i
p, at
T, °C
i . 10 ,
J/kg
r . 10 , p , at
J/kg
1
5
151,1
2754
2117
2
1,61
2
112,91
6
2703,3
6
2226,
4
-3
-3
'
t’, °C
1,668 113,91
6
0,211 60,7
i’. 10-3,
J/kg
r’.10-3,
J/kg
X
(%)
2705,0
3
2608,4
4
2223,6
2
2355,5
6
13,84
6
24
7. Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi :
7.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao Δi’’ : Δi’’ = tsi – ti’
ti’ : nhiệt độ sôi ứng với áp suất pi’, °C
tsi : nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, xác định theo áp suất thủy tĩnh ptbi ở lớp giữa
của khối chất lỏng, °C
tsi = ti’ + Δi’ + Δi’’
[°C]
Theo công thức [4-60] ta có :
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc :
Ptbi = pi’ + (h1 + ) . ρs . g
, N/m2
Trong đó :
pi’ : Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng của 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, chọn h1 = 0,5 m.
H : chiều cao ống truyền nhiệt, H = 2m
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
ρs : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3
g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2
Ta có :
+ Nồi 1 :
p1’ = 1,668 at
x1 = 13,846 (%)
t1’ = 113,916 °C
Tra số liệu theo bảng I.22 sổ tay hóa công tập I, ta có khối lượng riêng của dung dịch
NaOH là ρdd1 = 1,151 . 103 kg/m3 (ở nhiệt độ thường)
→ ρs1 =
→ Ptb1 = 1,668 + (0,5 +) . . = 1,754 at
(1 at = 9,81 . N/m2)
Tra bảng I.251 sổ tay hóa công tập I ta có ts1 = 115,472 °C
→ Δ1’’ = 115,472 °C – 113,916 °C = 1,556 °C
+ Nồi 2 :
p2’ = 0,211 at
x2 = 24 (%)
t2’ = 60,7 °C
Tra bảng I.22 sổ tay hóa công tập I, ta có ρdd2 = 1,263 . 103 kg/m3 (ở nhiệt độ thường)
→ ρdds2 =
→ Ptb2 = 0,211 + (0,5 + ) . . = 0,306 at
Tra bảng I.251 sổ tay hóa công tập I, ta có : ts2 = 69,10 °C
→ Δ2’’ = 69,10 °C – 60,7 °C = 8,4 °C
7.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δi’ :
Được xác định theo công thức gần đúng [4.59] của Tysenco hoặc phương pháp Babo :
Δi’ = f . Δo’ = 16,2 . . Δo’
,°C
Trong đó :
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Δo’ : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất ở áp suất thường
Tsi : nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở nhiệt độ đã cho, °K
ri’ : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất, J/kg
+ Nồi 1 :
x1 = 13,846 (%)
Ts1 = t1’ + 273 = 113,916 + 273 = 386,916 °K
r1’ = 2223,62 . 103 J/kg
Tra bảng VI.2.(T67) tổn thất nhiệt độ Δo’ theo nồng độ a (% khối lượng) sổ tay hóa
công tập II với dung dịch cô đặc NaOH :
Δ01’ = 4,49 °C
→ Δ1’ = 2,99 . 16,2 . = 3,26 °C
+ Nồi 2 :
x2 = 24 (%)
T2s = t2’ + 273 = 60,7 + 273 = 333,7 °K
r2’ = 2355,56 . 103 J/kg
Tra bảng VI.2. ta được : Δ02’ = 11,4 °C
→ Δ2’ = 11,4 . 16,2 . = 8,73 °C
7.3 Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống :
ΣΔ = ΣΔi’ + ΣΔi’’ + ΣΔi’’’
= 3,26 + 8,73 + 1,556 + 8,4 + 1 + 1
= 23,964 °C
8. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống :
Σ ΔTi = T1 – Tng – ΣΔ
= 151,1 – 59,7 – 23,946 = 67,454 °C
-
Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi :
+ Nồi 1 :
ΔT1 = T1 – ts1 = T1 – t1’ – Δ1’ – Δ1’’
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
= 151,1 – 113,916 – 3,26 – 1,556
= 32,368 °C
ts1 = 151,1 – 32,368 = 118,732 °C
+ Nồi 2 :
ΔT2 = ΣΔT – ΔT1 = 67,454 – 32,368 = 35,086 °C
ts2 = T2 – ΔT2 = 112,916 – 35,086 = 77,83 °C
Lập bảng số liệu tổng hợp 2 :
Nồi
Δ’, °C
Δ’’, °C
Δ’’’, °C
ΔT, °C
ts, °C
1
3,26
1,556
1
32,368
118,732
2
8,73
8,4
1
35,086
77,83
9. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt D i , lượng
hơi thứ Wi ở từng nồi :
9.1 Thiết lập sơ đồ :
W 1i 1'
Di1
W 1i 2
W 2i 2'
Qm2
Qm1
1
2
GðCotso
(Gð - W1 - W2)C2ts2
(Gð - W1)C1ts1
DCnc? 1
W1Cnc? 2
9.2 Hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng :
Các thông số của dung dịch :
- Nhiệt độ sôi của dung dịch ở các nồi :
+ tso : Nhiệt độ sôi của dung dịch đi vào nồi 1, °C
+ ts1 : Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, °C
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
+ ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2, °C
ts0 = ts1 = 118,732 °C
ts2 = 77,83 °C
-
Nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi :
Co, C1, C2 lần lượt là nhiệt dung riêng của dung dịch đi vào nồi 1, n ồi 2 và đi ra n ồi 2,
J/kg.độ
+ Dung dịch đi vào nồi 1 : xo = 10% khối lượng
Theo công thức I.43 – T152 “Sổ tay hóa công tập I” ta có nhi ệt dung riêng c ủa dung d ịch
đi vào nồi là : Co = 4186 . (1 – x) = 4186 . (1 – 0,1) = 3767,4 J/kg.độ
+ Dung dịch đi vào nồi 2 : x1 = 13,846% khối lượng
Theo công thức I.43, ta có : C1 = 4186 . (1 – 0,13846) = 3606,41 J/kg.độ
+ Dung dịch ra khỏi nồi 2 : x2 = 24% khối lượng
Theo công thức I.44 – T152 “Sổ tay hóa công tập I”, ta có :
C2 = Cht . 0,24 + 4186 . (1 – 0,24) với Cht là nhiệt dung riêng của NaOH khan, J/kg.độ
Theo công thức I.41 ta có nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học :
Mc = n1c1 + n2c2 + …
Trong đó :
M : Khối lượng mol của hợp chất
C : Nhiệt dung riêng của hợp chất, J/kg.độ
n1, n2, … : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất
c1, c2, … : Nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, J/kg nguyên tử.độ
Tra bảng I.141 – Nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố, ta được :
c1 = 26000 J/kg.độ
c2 = 16800 J/kg.độ
c3 = 9630 J/kg.độ
→ 40 . Cht = 1 . 26000 + 1 . 16800 + 1 . 9630
→ Cht = 1310,75 J/kg.độ
Suy ra nhiệt dung riêng của dung dịch đi ra khỏi nồi 2 là :
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
C2 = 1310,75 . 0,24 + 4186 . (1 – 0,24) = 3495,94 J/kg.độ
Các thông số của nước ngưng :
- Nhiệt độ nước ngưng :
θi : nhiệt độ nước ngưng tụ ở nồi i, °C
θ1 = T1 = 151,1 °C
θ2 = T2 = 112,916 °C
-
Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ :
Cnc1, Cnc2 – Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi 1, 2
[J/kg.độ]
Tra bảng I.148 – T166 “Sổ tay hóa công tập I”, ta có :
Cnc1 = 4299,83 J/kg.độ
Cnc2 = 4239,93 J/kg.độ
Giải hệ phương trình :
- Nồi 1 :
Di1 + GđCotso = W1i1’ + (Gđ – W1)C1ts1 + DCncθ1 + Qm1
-
Nồi 2 :
W1i2 + (Gđ – W1)C1ts1 = W2i2’ + (Gđ – W1 – W2)C2ts2 + W1Cncθ2 + Qm2
-
W1 + W2 = W
Trong đó :
D : lượng hơi đốt đi vào nồi 1, kg/h
Qm1, Qm2 : lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, tính bằng 5% l ượng nhi ệt
cung cấp cho các nồi, J/h
Giải hệ phương trình ở trên, ta có :
W1 =
D=
W2 = W – W1
Thay số :
W1 = 4755.53 kg/h
SVTH :
→ tỷ lệ phân phối hơi thứ W1 : W2 = 1 : 1,075
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
W2 = 5114,47 kg/h
D = 5254,48 kg/h
→ Lập bảng số liệu 3 :
C
J/kg.độ
Cnc
J/kg.độ
θ
°C
1
3606,41
4299,83
2
3495,94
4239,93
Nổi
W (kg/h)
Giả thiết
Tính toán
151,1
4700
4755,53
Sai
số ε,
%
1,18
112,916
5170
5114,47
1,07
10. Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi :
10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi :
- Chọn ống truyền nhiệt có kích thước : 32 x 2 (mm)
dtrong = 32 mm, độ dày thành ống truyền nhiệt S = 2 mm
- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt là
+ Nồi 1 : Δt11 = 3,00 °C
+ Nồi 2 : Δt12 = 3,20 °C
- Thiết bị phòng đốt trung tâm (H=2m), hơi ngưng tụ bên ngoài ống, màng nước ngưng
chảy dòng do đó hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức V.101 – Sổ tay hóa công tập 2
:
α1 = 2,04 . A .(0.25 [W/m2.độ]
Với A : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng.
Xác định nhiệt độ màng :
tm1 = T1 - = 151,10 – 3,00/2 = 149,60 °C
tm2 = T2 - = 112,916 – 3,20/2 = 111,316 °C
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
T1
? t1
tT1
? tT
tT2
? t2
T2
α1
α2
δ
?
Xác định A :
Nội suy từ [2-29] sổ tay hóa công tập 2, ta có :
tm1 = 149,60 °C → A1 = 195,44
tm2 = 111,316 °C → A2 = 184,09
Tính α1 :
α11 = 2,04 . 195,44 . ()0,25 = 9717,09 W/m2.độ
α12 = 2,04 . 184,09 . ()0,25 = 9120,45 W/m2.độ
10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ : tính theo [5-324]
q11 = α11 . Δt11 = 9717,09. 3,00 = 29151,27 W/m2
q12 = α12 . Δt12 = 9120,45. 3,20 = 29185,43 W/m2
Lập bảng số liệu 4 :
Nồi
Δt1i, °C
tm, °C
A
α1, W/m2.độ
q1, W/m2
1
3,00
149,60
195,44
9717,09
29151,27
2
3,20
111,316
184,09
9120,45
29185,43
10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi : tính theo [5-324]
α2i = 45,3 . p’i0,5 . Δt2i2,33 . ψi
[W/m2.độ]
Trong đó : Δt2i – hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch, °C
ψi – hệ số hiệu chỉnh nồi thứ nhất, ψi < 1
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
10.3.1 Tính hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch :
Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt ΔtTi :
+ Tham khảo [2-4] :
Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch : r1 = 0,387 . 10-3
[m2.độ/W]
Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa : r2 = 0,240 . 10-3
[m2.độ/W]
+ Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống : theo [2-313]
λ = 16,3 [W/m.độ]
+ Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt :
Σr = r1 + r2 +
Với δ – bề dày thành ống truyền nhiệt, δ = 2 mm
Σr = 0,387 . 10-3 + 0,240. 10-3 + = 0,75 . 10-3 [m2.độ/W]
+ Tính ΔtTi :
Nồi 1 : ΔtT1 = q11 . Σr = 29151,27. 0,75 . 10-3 = 21,98 °C
Nồi 2 : ΔtT2 = q12 . Σr = 29185,43. 0,75 . 10-3 = 22,05 °C
Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch Δt2i :
Nồi 1 : Δt21 = ΔT1 – Δt11 – ΔtT1 = 32,37 – 3,00 – 21,98 = 7,39 °C
Nồi 2 : Δt22 = ΔT2 – Δt12 – ΔtT2 = 35,09 – 3,20 – 22,05 = 9,84 °C
10.3.2 Tính hệ số hiệu chỉnh nồi thứ i ψi : tính theo [5-324]
Hệ số hiệu chỉnh nồi thứ 1 :
a. Các thông số của dung dịch :
Tại ts1 = 118,732 ºC
X1 = 13,846 % khối lượng
+ Tra bảng [1-9] → ρdd = 1089,77 kg/m3
+ Tra bảng [1-91] → µdd = 0,78 . 10-3 Ns/m2
+ Tra bảng [1-172] → Cdd = 3781,54 J/kg.độ
+ Tính hệ số dẫn nhiệt λdd theo [1-123] :
λ = A.C.ρ.(1/3 , W/m.độ
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
-
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
A : hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng. Chất lỏng liên kết → A =
3,58.10-8.
Đổi ra phần mol :
X = = = 6,74%
-
Tính khối lượng mol M :
M = = = 19,48 kg/kmol
-
Thay số :
λ = 3,58.10-8. 3781,54 . 1089,77.(1/3 = 0,564 W/m.độ
b. Các thông số của nước :
Tại ts1 = 118,732 ºC
+ Tra bảng [1-12] → ρnc = 944,36 kg/m3
+ Tra bảng [1-96] → µnc = 0,235 . 10-3 Ns/m2
+ Tra bảng [1-172] → Cnc = 4272,15 J/kg.độ
+ Tính hệ số dẫn nhiệt λnc theo [1-123] :
λ = A.Cp.ρ.(1/3 , W/m.độ
A - hệ số, đối với nước là chất lỏng liên kết → A = 3,58.10-8.
M – Khối lượng mol, M = 18 kg/kmol
Thay số :
λ = 3,58.10-8. 4272,15 . 944,36.(1/3 = 0,541 W/m.độ
c. Tính ψ1 theo [5-324] :
Ψ1 = ()0,565 . [ (2 . . ]0,435
= ()0,565 . [ (2 . . ]0,435
= 0,653 < 1
Hệ số hiệu chỉnh nồi thứ 2 :
a. Các thông số của dung dịch :
ts2 = 69,10 ºC
x2 = 24% khối lượng
+ Tra bảng [1-9] → ρdd = 1232,7 kg/m3
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
+ Tra bảng [1-91] → µdd = 2,01 . 10-3 Ns/m2
+ Tra bảng [1-172] → Cdd = 3677,91 J/kg.độ
+ Tính hệ số dẫn nhiệt λdd theo [1-123] :
λ = A.C.ρ.(1/3 , W/m.độ
Tính tương tự như tính với nồi 1 :
-
Đổi ra phần mol : x = 28% khối lượng → X = 12,44 %
Khối lượng mol : M = 20,74 kg/kmol
Thay số :
λ = 3,58.10-8. 3766,91 . 1232,7 .(1/3 = 0,649 W/m.độ
b. Các thông số của nước ngưng :
ts2 = 69,10 ºC
+ Tra bảng [1-12] → ρnc = 938,71 kg/m3
+ Tra bảng [1-91] → µnc = 0,41 . 10-3 Ns/m2
+ Tra bảng [1-172] → Cnc = 4190,00 J/kg.độ
+ Tính hệ số dẫn nhiệt λnc theo [1-123] :
λ = A.C.ρ.(1/3 , W/m.đ
λ = 3,58.10-8. 4190 . 938,71 .(1/3 = 0,526 W/m.độ
c. Tính ψ2 theo [5-324] :
Ψ2 = ()0,565 . [ (2 . . ]0,435
= ()0,565 . [ (2 . . ]0,435
= 0,675 < 1
10.3.3 Tính α2i : theo [5.234]
Thay số :
Nồi 1 : α21 = 45,3 . 1,6680,5 . 7,392,33 . 0,653 = 4036,93 W/m2.độ
Nồi 2 : α22 = 45,3 . 0,2110,5 . 9,842,33 . 0,675 = 2892,16 W/m2.độ
10.4 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch q2i : theo [5-234]
Nồi 1 : q21 = α21 . ∆t21 = 4036,93 . 7,39 = 29832,91 W/m2
Nồi 2 : q22 = α22 . ∆t22 = 2892,16 . 9,84 = 28458,82 W/m2
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
10.5 So sánh q1i và q2i :
- Sai số nồi 1 :
SS1 = . 100% = . 100% = 2,34% < 5%
→ chấp nhận giả thiết ∆t11 = 3,00 ˚C
qtb1 = = = 29492,09 W/m2
-Sai số nồi 2 :
SS2 = . 100% = . 100% = 2,32% < 5%
→ chấp nhận giả thiết ∆t12 = 3,20 ˚C
qtb2 = = = 28135,76 W/m2
Lập bảng số liệu 6 :
Nồi
∆t2
Ψ
α2, W/m2.độ
q2, W/m2
1
7,39
0,653
4036,93
29832,91
2
9,84
0,675
2892,16
28458,82
11. Xác định hệ số truyền nhiệt và lượng nhiệt tiêu tốn :
11.1
Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi :
Tính theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bè mặt
truyền nhiệt các nồi bằng nhau.
K1 = = = 911,15 W/m2.độ
K2 = = = 802,32 W/m2.độ
11.2
Lượng nhiệt tiêu tốn :
Q1 = = = 3’089’926,16 W
Q2 = = = 2’941’031,11 W
12. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi :
12.1
Lập tỷ số cho từng nồi :
Q1/K1 = = 3391,24 m2.độ
Q2/K2 = = 3665,66 m2.độ
12.2
Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi : theo [4-155]
∆Ti* = (∆T1 + ∆T2) .
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Thay số :
∆T1* = (32,368 + 35,086) . = 31,42 ºC
∆T2* = (32,368 + 35,086) . = 35,04 ºC
13. So sánh ∆Ti* và ∆Ti :
- Sai số nồi 1 :
ε1 = . 100% = . 100% = 2,68% < 5%
-
Sai số nồi 2 :
ε2 = . 100% = . 100% = 0,13% < 5%
Vậy chấp nhận giả thiết phân phối áp suất :
∆P1 : ∆P2 = 2,4 : 1
Lập bảng số liệu 7 :
Nồi
Ki, W/m2.độ
1
911,15
2
802,32
Qi, W
3’089’926,1
6
2’941’031,1
1
∆Ti, ºC
∆Ti*, ºC
Sai số ε, %
32,368
31,42
2,68
35,086
35,04
0,13
14. Tính bề mặt truyền nhiệt F : theo phương thức bề mặt truyền nhiệt các nồi
bằng nhau, tính theo [4-154]
F1 = = = 107,93 m2
F2 = = = 106,62 m2
Có F1 = F2 =107 m2 → thỏa mãn.
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
IV – TÍNH THIẾT BỊ PHỤ :
Tính thiết bị ngưng tụ Bazomet :
1. Hệ thống thiết bị :
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
ý ng
ý ?c
ý?c vàný?cngýng
õi
1.
2.
3.
4.
5.
?t b?thu h?i b?t
3. ? ng Bazomet
4. T?m ngãn h?nh bán nguy?t
5. ? ng d?n khí không ngý ng
Thân
Thiết bị thu hồi bọt
Ống Bazomet
Tấm ngăn hình bán nguyệt
Ống dẫn khí không ngưng
2.Tính toán thiết bị ngưng tụ :
-
Các số liệu cần biết :
Hơi thứ của nồi cuối trong hệ thống cô đặc : W2 = 5114,47 kg/h
Áp suất ở thiết bị ngưng tụ : Png = 0,2 at
Các thông số vật lý của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hệ thống :
t2’ = 60,7 ºC
i2’ = 2608,44 . 103 J/kg
r2’ = 2355,56 . 103 J/kg
2.1 Tính lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ Gn :
Tính theo [2-74] :
Gn = , kg/h
Trong đó : tđ, tc – nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, chọn tđ = 30 ºC, tc = 50ºC
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Cn – nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ
Có ttb = = = 40 ºC
Tra Cn theo [1-168] : Cn = 0,998 kcal/kg.độ = 4178,43 J/kg.độ
Thay số :
Gn =
Gn = 146’852,59 kg/h
2.2 Tính đường kính trong D của thiết bị ngưng tụ: tính theo [2-84]
D = 0,02305 . ()0,5
,m
Trong đó :
ρh – khối lượng riêng của hơi, kg/m3
ωh – tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ, m/s
Thiết bị ngưng tụ làm ở áp suất 0,2at → chọn ωh = 35 m/s
Tra bảng [1-314] : P = 0,2 at → ρh = 0,1283 kg/m3
Thay số :
D = 0,02305 . ()0,5 = 0,778 m
Quy chuẩn theo bảng VI.8 [4-88] : Dtrong = 800 mm
2.3 Tính kích thước tấm ngăn : tính theo [2-85] :
-
Chiều rộng tấm ngăn có dạng hình viên phân b :
b = = + 50 = 450 mm
-
Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ, chọn :
+ Đường kính lỗ : dlỗ = 5 mm (nước làm nguội là nước bẩn)
+ Chiều dày tấm ngăn : δ = 4 mm
+ Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn : 40 mm
+ Tốc độ của tia nước : ωc = 0,62 m/s
-
Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ :
f = = = 0,0658 m
-
SVTH :
Tính bước lỗ t : theo [2-85]
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Lỗ xếp theo hình lục giác đều :
t = 0,866 . dlỗ . ()0,5 + dlỗ ,mm
Trong đó chọn = 0,1 (nước bẩn)
Thay số : 0,866 . 5 . 0,5 + 5 = 6,37 mm
2.4 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ : theo [2-85]
- Chiều cao thiết bị ngưng tụ được xác định theo mức độ đun nóng.
- Mức độ đun nóng nước được xác định theo [2-85] :
β=
Trong đó : tbh – nhiệt độ của hơi bão hòa ngưng tụ, tbh = tng = 59,7 ºC
Suy ra β = = 0,673
Quy chuẩn theo bảng VI.7 [2-86] : β = 0,687 , đường kính của tia nước 2mm.
Lập bảng số liệu :
Số bậc
3
-
Số ngăn
K/c giữa các ngăn, mm
6
400
Thời gian rơi qua 1 bậc,
s
0,41
Xác định chiều cao hữu ích của thiết bị ngưn tụ :
Thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ gi ảm
dần, do đó khoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên trên
khoảng 50 mm cho mỗi ngăn.
→ chiều cao thực tế của thiết bị là :
H = 450 + 400 + 350 + 300 + 250 + 200 + 150 + 100 = 2200 mm = 2,2 m
Khoảng cách trung bình của 2 ngăn cuối : 450 mm
2.5 Kích thước ống Bazomet : theo [2-86]
- Đường kính trong của ống Bazomet :
d =( )0,5
,m
ω – tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống Bazomet, m/s;
chọn ω = 0,5 m/s.
SVTH :
L ớp KTHH
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án QT – TB CNHH & Thực phẩm
Thay số : d =( )0,5 = 0,328 m
-
Xác định chiều cao ống Bazomet :
H = h1 + h2 + 0,5 ,m/s
Trong đó :
+ h1 – chiều cao cột nước trong ống Bazomet :
h1 = 10,33 . = 10,33 . = 8,33 m
+ h2 – chiều cao cột nước trong ống Bazomet để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước
chảy trong ống :
SVTH :
L ớp KTHH
