Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaNO3 có năng suất nhập liệu 2700kg/h

Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaNO3 có năng suất nhập liệu 2700kg/h

Trường đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Khoa Công Nghệ Hóa Học & Thực Phẩm

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S Phạm Văn Hưng

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Kim Ngân 15116034

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 11 năm 2018

- -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

KHOA: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN: Nguyễn Kim Ngân MSSV: 15116034 LỚP:

1 Tên đồ án:

Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaNO3 có năng suất nhập liệu 2700kg/h và các thông

số nồng độ ban đầu và nồng độ cuối là 10% và 42%( tính theo khối lượng)

2 Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

- Tổng quan về nguyên liêu

- Tổng quan về phương pháp cô đặc

- Thuyết minh quy trình

- Tính toán cân bằng vật chất

- Tính toán thiết kế thiết bị chính

- Tính toán thiết bị phụ

- Bản vẽ A1 quy trình công nghệ

- Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị thiết kế

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/09/2018

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28/11/2018

5 Họ và tên người hướng dẫn: Th.S Phạm Văn Hưng

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 09 năm 2018

Phạm Văn Hưng MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 7

1 Tên đồ án 7

1.1 Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) 7

1.2 Tính chất nguyên liệu 7

1.2.1 Tính chất vật lý của NaNO3: 7

1.2.2 Điều chế và ứng dụng của NaNO3: 7

1.3 Quá trình cô đặc: 8

1.3.1 Định nghĩa 8

1.3.2 Phương pháp cô đặc 8

1.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 8

1.3.4 Ứng dụng của cô đặc 9

1.4 Thiết bị cô đặc 9

1.4.1 Phân loại và ứng dụng 9

a Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc: 9

b Theo phương pháp thực hiện quá trình: 9

1.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc: 9

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ: 11

2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ: 11

2.1 Sơ đồ công nghệ 11

2.2 Thuyết minh qui trình 13

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 14

1 Cân bằng vật chất 14

2 Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi 15

3 Xác định tổn thất nhiệt độ 17

4 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh 18

5 Tổn thất nhiệt do đường ống gây ra 19

6 Tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống 19

7 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống: 19

8 Tính cân bằng nhiệt 21

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 24

1 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt 24

2 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp 24

3 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi: 24

a.Nhiệt tải riêng trung bình: [2] 24

b Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ: 25

c Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi : 27

4 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi: 30

4.1 Tính kích thước buồng đốt và buồng bốc: 31

4.1.1 Buồng đốt: 31

a Tính số ống truyền nhiệt: 31

b Đường kính ống tuần hoàn trung tâm: 31

c.Kính buồng đốt: [2] 32

d Ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm: 33

e Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt: 33

4.1.2 Buồng bốc: 33

a Đường kính buồng bốc: 33

b. Thể tích buồng bốc 34

4.2 Kích thước của buồng đốt và buồng bốc: 35

4.2.1 Buồng đốt 35

4.2.2 Buồng bốc 35

4.3 Bộ phận nối buồng đốt và buồng bốc: 35

CHƯƠNG 5: TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ 37

I Tính bền cho thân: 37

1.1 Thân buồng đốt: 37

a Buồng đốt nồi I: 37

b Buồng đốt nồi II: 38

c Buồng đốt nồi III: 40

1.2 Thân buồng bốc: 43

a Buồng bốc nồi I: 43

b Buồng bốc nồi II: 45

c.Buồng bốc nồi III: 46

2 Tính bền cho đáy và nắp thiết bị: 49

2.1 Nắp thiết bị: 49

a Nắp nồi I: 50

b Nắp nồi II: 50

c Nắp nồi III: 51

2.2 Đáy thiết bị: 53

a.Đáy nồi I: 53

b Đáy nồi II: 54

c Đáy nồi III: 56

3 Tính bích, đệm, bu lông, vỉ ống và tay treo: 58

3.1 Tính bích: 58

3.2 Đệm: 59

3.3 Bulông ghép bích: 59

a Bulông ghép bích buồng bốc và nắp: 59

b.Bulông ghép bích buồng đốt và đáy: 61

3.4 Vĩ ống: 61

3.5 Tai treo: 62

CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 70

1.Thiết bị ngưng tụ Baromet: 70

1.1 Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ: 70

1.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet 70

1.3 Đường kính trong của thiết bị baromet 71

1.4 Kích thước tấm ngăn 71

1.5 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ 72

1.6 Kích thước của ống Baromet 72

2 Thiết bị gia nhiệt cho dòng nhập liệu 74

2.1 Nhiệt lượng hơi nước cần dung 75

2.2 Tính hệ số truyền nhiệt 76

Em xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 28 Tháng 11 năm 2018 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Kim Ngân

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1 Tên đồ án

Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaNO3 có năng suất nhập liệu 2700kg/h và các thông số nồng độ ban đầu và nồng độ cuối là 10% và 42% ( tính theo khối lượng)

1.1 Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

Khối lượng riêng 2.265 g/cm3; ở 30oC (nồng độ 15%) NaNO3 có độ nhớt là 0,94.10

-3N.s/m2; độ hoà tan (g chất khan/100g dd) là 49,0

Khi đun nóng NaNO3 nóng chảy:

2 NaNO3 = 2NaNO2 + O2

Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO3 là chất oxi hóa mạnh nó có thể oxi hóa

Mn2+ → MnO42-, Cr3+ → CrO42- v.v.MnSO4 + MnSO4 + 2KNO3 + 2NaCO3 = Na2MnO4+ 2KNO2 + Na2SO4 + 2CO2

1.2.2 Điều chế và ứng dụng của NaNO3:

Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa KNO3 và NaCl:

KNO3 + NaCl = NaNO3 + KCl

Hoà tan muối loãng KNO3 và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kết tinh KCl ở nhiệt độ 30o Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ dưới 22osẽ kết tinh NaNO3

NaNO3 được dùng để sản xuất axit nitric là một axit rất quan trọng trong công nghiệp, sản xuất phân đạm trong công nghiệp Chế biến thủy tinh, làm thuốc nổ…

1.3 Quá trình cô đặc:

1.3.1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) Đó là các quá trình vật lý - hóa lý

1.3.2 Phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng

của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra

dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy

ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh

1.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do

đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

1.3.4 Ứng dụng của cô đặc

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt được nồng

độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết tinh Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây

Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …

1.4 Thiết bị cô đặc

1.4.1 Phân loại và ứng dụng

a Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc:

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép…

b Theo phương pháp thực hiện quá trình:

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự động hóa

 Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp

1.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:

Thiết bị chính:

Thiết bị phụ:

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ:

Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng)

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh

tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:

Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ của nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết

bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong mỗi nồi phải giảm dần

vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất

dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều được

sử dụng nhiều

❖ Ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều:

độ nhớt không tăng mấy, kết quả hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm Khi

cô đặc ngược chiều lượng nước bốc hơi vào thiết bị ngưng tụ nhỏ hơn xuôi chiều

chuyển dung dịch

2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:

2.1 Sơ đồ công nghệ

6 BOM NH? P LI? U N? I I,II

7 N? I CAO V? PH? M VAN HUNG

2.2 Thuyết minh qui trình

Dung dịch NaNO3 10%, ở 30oC, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đó được cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch NaNO3 đi bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống

Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cô đặc thứ III, đây là thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, dung dịch đi bên trong ống tuần hoàn trung tâm và ống truyền nhiệt, còn hơi đốt là hơi bão hòa sẽ đi bên ngoài ống, tại đây dung dịch được cô đặc đến nồng độ 19%

Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị cô đặc thứ II, tại đây dung dịch sẽ được cô đặc đến nồng độ 25%

Sau đó dung dịch tiếp tục được bơm qua thiết bị cô đặc thứ III , tại đây dung dịch được cô đặc đến nồng độ 42%

Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc thứ I, hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng có bẫy hơi để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưng cũng sẽ được cho thoát ra bên ngoài qua ống xả

Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ I sẽ được tận dụng để làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ

II, tại đây nước ngưng và khí không ngưng cũng được xả bỏ ra ngoài như thiết bị thứ I Hơi thứ của thiết bị thứ II được tận dụng làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ III, tại đây khí không ngưng và nước ngưng cũng được xã bỏ ra ngoài như thiết bị I và II

Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ III được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần hơi còn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Cân bằng vật chất

❖ Theo định luật bảo toàn khối lượng trong suốt quá trình cô đặc ta có thể thấy rằng Nồng

độ chất tan không đổi

Việc phân phối Wi để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước đốt cho nồi sau thì thông thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp thoả:

𝑚𝑖 = 𝐷𝑖

𝑊𝑖 ≥ 1.2 ÷ 1.25 Nghĩa là phải đảm bảo:

❖ Nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi

• Đối với nồi III:

2 Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi

Áp suất thiết bị ngưng tụ là 0,35 at, sau khi tra bảng ta nhận được nhiệt độ tại thiết bị ngưng

tụ là 72,05OC

Nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối sẽ bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ + (1 ÷2) OC

• Từ đó ta tính được

+ T3 = 73.05OC

+ P3= 0.36 at

Chọn áp suất cho nồi I là P1 = 5at

Tính được hiệu số áp suất cho cả hệ thống: ΔP = P1 – Pnt = 5 – 0,35 = 4,65 at

Tỷ lệ hiệu số áp suất cho các nội: ∆𝑃1

Với: P1,P2, P3: áp suất hơi đốt nồi 1, 2 và 3 at

Pnt : áp suất ở thiết bị ngưng tụ,

ΔP1, ΔP2, ΔP3 : hiệu số áp suất nồi 1 so với nồi 2, nồi 2 so với nồi 3 và nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ , at

ΔP: hiệu số áp suất cho cả hệ thống, at

Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 (1 chính là tổn thất

nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên ống dẫn), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng thì bằng

nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1oC

Bảng 1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi

Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 TBNT

Trong đó: Δ’ là độ tăng phí điểm tại áp suất cô đặc ( OC)

Δo’ là độ tăng phí điểm tại áp suất thường (OC)

f là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung môi

Mà hệ số hiệu chỉnh được xác định theo công thức sau:

𝑓 = 16.2𝑇𝑚

2𝑟Trong đó:

Tm : nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị bằng nhiệt độ hơi thứ, oC

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, J/kg

t’: nhiệt độ hơi thứ, oC

Thế f vào ta nhận được công thức sau:

Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì nồng độ dung dịch

sôi gần với nồng độ cuối do đó Δ’ lấy theo nồng độ cuối dung dịch

4 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh (tổn thất nhiệt độ do

áp suất thủy tĩnh tăng cao)

Δ” = tsdd(Ptb) - tsdd(Po) = tsdm( Ptb) - tsdm(Po) Chiều cao thích hợp của dung dịch sôi trong ống truyền nhiệt: (tính theo kính quan sát chỉ mức)

2

273 2

C

4 op10

* 81 9 gH 0.5 hh

Trong đó:

ρdd : Khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ cuối (ở nhiệt độ ts,

không kể lẫn bọt hơi), kg/m3;

ρdm : Khối lượng riêng dung môi , kg/m3;

ρdm (kg/m3)

Hop (m)

Ptb (at)

5 Tổn thất nhiệt do đường ống gây ra

Cho tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1OC và tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra trên cả hệ thống là ∆’’’ = 3 OC

6 Tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống

Σ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ , O C= 13.13 + 3,15 + 3 = 19.28 O C

7 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống:

Theo định nghĩa, hiệu số nhiệt độ hữu ích là:

C

Δti = Δtch - ∑Δ Mà: Δtch = T – tng

Hoặc: Δti = T – ts III-10/111 [2]

Mà: ts = t’ + Δ’ + Δ’’

Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

Trong đó:

ΔtiI, ΔtiII,Δ tiIII : Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

TI, TII, TIII : Nhiệt độ hơi đốt nồi I, nồi II, nồi III, oC

tI’, tII’,tIII’ : Nhiệt độ hơi thứ nồi I, nồi II, nồi III, oC

tsI, tsII, tsIII : Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

ΔI’,Δ II’, ΔIII’ : Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

ΔI’’,ΔII’’, ΔIII’’: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi I, nồi II, nồi III, oC Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:

8 Tính cân bằng nhiệt

• Nhiệt dung riêng

+ Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu có nồng độ dưới 20% được xác định theo công thức:

+ Nhiệt dung riêng của một hợp chất hóa học được xác định theo công thức sau:

Mc = n1c1 +n2c2 + n3c3+…

Trong đó M là khối lượng mol của hợp chất, c là nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học, n1,

n2, n3 là số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất; c1, c2, c3 là nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng Từ đó ta có thể xác định được Cht của NaNO3 ( với CNA=

Trong đó:

D: Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h

Gđ: Lượng dung dịch ban đầu, kg/h

φ: Độ ẩm của hơi đốt

i, i1, i2: Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi I và nồi II, J/kg

tđ, t1, t2, t3: Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II, nồi III của dung dịch,

Cđ, C1, C2 , C3: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II, nồi III của dd, J/kg.độ

θ 1, θ 2, θ 3 : Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I, nồi II, nồi III

Cng1, Cng2,Cng3: Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi I, nồi II, nồi III J/kg.độ

Qxq1, Qxq2, Qxq3: Nhiệt mất mác ra môi trường xung quanh, J

Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được:

• Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi I và nồi II: (tra Bảng I.250/312 [4])

 W1= 3553 (kg/h) ; W2=2890.8 (kg/h); W3= 2275 (kg/h)

 W1= 3541 (kg/h) ; W2=2832.8 (kg/h); W3= 2266.22 (kg/h)

W1 : lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị lớn

Wn : lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị nhỏ

%100

1

1− 

W W

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

1 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt được xác định theo công thức sau

𝐾∆𝑡 𝑖 [2]

Trong đó:

Q = Dr nếu chất tải nhiệt là hơi nước bão hoà

Δti : hiệu số nhiệt độ hữu ích,

Gỉa thuyết quá trình truyền nhiệt là liên tục và ỏn định

2 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

Nồi I: QI = Dr , W

Nồi II: QII = W1r1 , W

Nồi III: QIII = W2r2 , W

r, r1, r2 : Ẩn nhiệt hóa hơi (ngưng tụ) của hơi đốt ở nồi I và nồi II, nồi III J/kg [4]

Bảng 5: Tính nhiệt lượng do hơi đốt cunng cấp

3 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi:

a.Nhiệt tải riêng trung bình: [2]

Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:

q1 = α1(t1 – tw1) = α1∆t1 Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:

Nhiệt tải riêng của phía dung dịch sôi:

q2 = α2(tw2 – t2) = α2∆t2 Trong đó:

t1 : Nhiệt độ hơi đốt, oC

t2 : Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, oC

tw1, tw2 : Nhiệt độ 2 bên thành ống, oC

α 1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2độ

α 2 : Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m2độ

rc1 : Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt (nước sạch)

b Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ:

Khi tốc độ của hơi nhỏ (10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì

hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau:

) )(

1 1

( ) (

1

2 1 1

2

c w

r r

t t r

2

3 16

10 2 10 232

=

r r





Trong đó:

(Chọn t1 là nhiệt độ của hơi đốt)

Ht

rA04.2



=



c Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi :

Giả sử chế độ sôi sủi bọt và quá trình là đối lưu tự nhiên, ta có:

Với: αn=0.145Δ𝑡22.33𝑃0.5 (W/m2độ)

Trong đó:

P : Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, (N/m2)

∆t2 : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi, oC

∆t2 = tw2 – tsdd

ldd , ln : hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và nước, W/m.độ

, : khối lượng riêng của dung dịch và nước, kg/m3

Cdd , Cn : nhiệt dung riêng của dung dịch và nước, J/kg.độ

565 0

dd n

dd n

dd n

+ Cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch (J/kgK)

+ ρ : khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

+ M : khối lượng mol trung bình của dung dịch

+ A : hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước A = 3,58.10-8

Bảng 9: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Bảng 10: Các số liệu tra cứu

Nồi i tw2 (oC) tsdd(0C) Dt2(0C) αn

(W/m2.độ)

α2 (W/m2.độ) q2 (W/m2)

Bảng 13: Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi

Nồi i qtb (W/m2) Dti (oC) K (W/m2độ)

%5

%100

III 5789,91 22,69 255,52

Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi:

Phân phối Dti theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

Công thức chung: [2]

Trong đó: Chữ số “m” chỉ nồi thứ m

Kiểm tra lại hiệu số nhiệt độ hữu ích:

Bảng 14: Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực mỗi nồi

Q (kW)

K (W/m 2 độ) ( o C)

Δt i

( o C)

Δ(Δt i ) ( o C) Nồi I 2521,57 472,05 5341,73 19,08 18,15 4,90%

m im

% 100 )

t

t t t

II II I I i

l : chiều dài ống truyền nhiệt, l = 2,5 m

Chọn đường kính ống truyền nhiệt (tra bảng [5])

dn = 57 m

dtr = dn - 2δv = 57 – 2.2,5 = 52 mm

Chọn kiểu bố trí ống truyền nhiệt hình lục giác đều

Do α1 > α2 nên d là đường kính trong của ống truyền nhiệt

Xếp ống theo hình lục giác đều [1]

Số ống trên đường chéo: 33 ống

Tổng số ống: 817 ống

b Đường kính ống tuần hoàn trung tâm:

Tổng tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt:

2

052 ,

0

315

0

4

4

2 2

Tiết diện ngang của ống tuần hoàn trong (lấy bằng 25% FD):

ft = 0,25FD = 0,25.1,73 = 0,4325 (m2) [2]

Đường kính ống tuần hoàn trong:

Chọn theo tiêu chuẩn: Dth = 0,8 m [1]

Đối với ống tuần hoàn trong phải chọn đường kính ống tuần hoàn lớn hơn khoảng 10 lần đường kính ống truyền nhiệt của buồng đốt [1]

Sin 600: do xếp ống theo hình lục giác đều, nên 3 ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau tạo

thành một tam giác đều có góc [2]

F : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2

0

2 ,

1

2

8 ,

0 (

5

2

8 ,

0

057 ,

0

315

60 sin

2 ,

)2(

.60sin4.0

n th

n o

l

d F





++

=

Chọn theo chuẩn đường kính buồng đốt Dt = 2,4 m [1]

d Ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm:

Vậy số ống truyền nhiệt lúc này là 690 ống

e Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt:

Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt được chọn là 315 m2 và số ống truyền nhiệt là 690 ống

0

*

2 ,

1

8 ,

b

h b

h h

D

W 4 D

4

W F

Nồi III 971,22 0,24 0,000011 1,48 9,69 4,74 1,83 Thỏa (*)

Vậy đường kính buồng bốc Db = 2,8 m

b Thể tích buồng bốc

(m3) [1]

W : Lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h

U

W V



=

2 b

b b

D

V 4 H



=

P’

(at)

ρh (kg/m3)

(m3/m3h)

W (kg/h)

Vb (m3)

Hb (m)

Nồi III 0,36 0,24 1,4 2240 2590 4,79 0,78

Vì trong buồng bốc có hiện tượng sủi bọt sôi có 1 phần mực chất lỏng trong buồng bốc nên

chọn chiều cao cho cả ba nồi là Hb = 2,5 m

4.2 Kích thước của buồng đốt và buồng bốc:

4.2.1 Buồng đốt

4.2.2 Buồng bốc

4.3 Bộ phận nối buồng đốt và buồng bốc:

Chọn đáy nón cụt và vật liệu là thép không gỉ X18H10T

Góc nghiêng 450

Kích thước của đáy nón cụt:

(

(m) ,2

0

m

8 ,

2

m ,4

2

g

Lớn

Nhỏ

CHƯƠNG 5: TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ

I Tính bền cho thân:

1 1 Thân buồng đốt:

- Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3

- Thân có 3 lỗ: 1 lỗ tháo nước ngưng, 1 lỗ xả khí không ngưng và 1 lỗ dẫn hơi đốt

Bề dày tối thiểu của thân buồng đốt:

Kiểm tra điều kiện bền: [6]

Vậy bề dày thân buồng đốt nồi I thỏa điều kiện bền: S = 8 mm

b Buồng đốt nồi II:

0

1 113,1

a h

0 ,00029

113,1

2

3924 ,

[σ]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2 → [σ]* = 132 N/mm2 (ở 142 oC) [6]

0 ,

Kiểm tra điều kiện bền: [6]

Thỏa

Vậy bề dày thân buồng đốt nồi II thỏa điều kiện bền: S = 4 mm

c Buồng đốt nồi III:

a h