Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn trung tâm, cô đặc dung dịch NaNO3 từ 14% lên 46% 3

Ngày công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là Natri nitrat (NaNO3) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó. Trong quá trình sản xuất NaNO3, quá trình cô đặc thường được sử dụng để thu được dung dịch NaNO3 có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ. Để sản xuất NaNO3 dạng rắn hay dạng dung dịch có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều năng lượng cho quá trình cô đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch). Việc tiết kiệm năng lượng cho quá trình này được quan tâm hàng đầu. Với mục tiêu đó, đồ án này thực hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3 ba nồi ngược chiều. Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn trung tâm, cô đặc dung dịch NaNO3 từ 14% lên 46% Đối với sinh viên ngành công nghệ hóa học, việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số kỹ thuật cụ thể.

TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Tổng quan về sản phẩm

Vấn đề hóa chất trong thực phẩm đang trở thành mối quan tâm lớn đối với nhiều người Dù ở nhà hay tại các tiệm, chúng ta không thể tránh khỏi sự ảnh hưởng của hóa chất trong thực phẩm mà chúng ta tiêu thụ hàng ngày.

Trên thị trường có 4 dạng muối nitrit, nitrat thường dùng trong bảo quản thực phẩm như sau: KNO2, KNO3, NaNO2, NaNO3

Tên khoa học: Sodium nitrat

Muối Natri nitrat, hay còn gọi là Sô-đa nitơ, được biết đến với tên gọi diêm tiêu Chile hoặc diêm tiêu Peru, vì hai quốc gia này sở hữu trữ lượng lớn nhất loại muối này.

Công thức hóa học: NaNO3

1.1.2 Tính chất vật lí cơ bản.

Dạng tồn tại: tinh thể trắng dạng hạt hoặc bột màu trắng.

Tỉ trọng: 2,257g/cm 3 rắn. Điểm nóng chảy: 308 o C Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO3 là chất oxi hóa mạnh nó có thể oxi hóa

Mn 2+ Điểm sôi: 380 o C ( Nóng chảy) Độ nhớt ở 30 o C (nồng độ 15%) NaNO3: 0.94.10 -3 N.s/m 2 Độ hòa tan tăng dần trong nước nóng.

180 g/100ml ở 100 o C. Ít tan trong Metanol (CH3OH): 1g/300 ml.

Rất ít tan trong acetone và glycerol.

Tan tốt trong Amoniac. Độ ổn định:

Phản ứng mạnh với những chất dễ chấy, hữu cơ.

Có phản ứng với các loại chất khử , acid.

Nguyên nhân: Hít hoặc nuốt nhầm.

Tác hại lâu dài: (theo các kết quả thử nghiệm trên động vật).

Gây nhiễm độc máu, làm mất khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu gây ra hiện tượng tím tái và hôn mê.

Có thể gây đột biến gen (ảnh hưởng đến các tế bào gốc).

Có thể gây nguy hại đến sức khỏe cho sinh sản.

Có thể là nguyên nhân gây ung thư.

Da: gây kích ứng khi tiếp xúc: tẩy đỏ, ngứa, đau nhứt.

Mắt: gây ảnh hưởng tương tự khi rơi vào mắt.

Hít nhầm: gây hại cho hệ hô hấp khi hít phải: ho, thở gấp.

Nuốt nhầm: Có thể gây ngộ độc nghiêm trọng.

1.1.4 Triệu chứng lâm sàng khi ngộ độc nitrat:

Viêm dạ dày có thể gây ra nhiều triệu chứng như đau bụng, buồn nôn, nôn mửa, tiêu chảy, và yếu cơ Người bệnh thường cảm thấy chóng mặt, mệt mỏi, đau đầu, và gặp rối loạn tinh thần, mất tập trung Ngoài ra, tình trạng này có thể dẫn đến tăng nhịp tim, giảm huyết áp và khó thở.

Có thể làm tăng tốc độ cháy của lửa.

Tăng khả năng bắt cháy của các vật liệu dễ cháy (gỗ, giấy,…)

Cháy bừng thành ngọn lửa khi nung nóng đến 540 o C.

Dễ bắt cháy khi nung nóng nếu trộn lẫn với than củi.

Dễ bắt lửa khi tiếp xúc với các hóa chất hữu cơ, dễ cháy.

Gây phản ứng nổ với các hợp chất hidrocacbon

Tương tác với amidosulfate (sulfamate) khi nung nóng có thể gây nổ mạnh do tạo ra N2O và hơi nước.

Khi trộn lẫn với nhôm hoặc oxit nhôm.

1.1.6 Điều chế và ứng dụng

Điều chế Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa AgNO3 và NaCl:

Hòa tan muối AgNO3 và NaCl theo tỉ lệ 1:1 và đun nóng, sau đó cho kết tủa AgCl ở nhiệt độ 30 °C Tách tinh thể AgCl ra và làm nguội dung dịch xuống dưới 22 °C để kết tinh NaNO3.

Natri nitrat được sản xuất công nghiệp bằng phản ứng trung hòa HNO3 với

Cơ sở lý thuyết và các phương pháp 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 với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan.

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất.

Quá trình cô đặc diễn ra ở nhiệt độ sôi và áp suất khác nhau, bao gồm áp suất chân không, áp suất thường và áp suất dư Quá trình này có thể thực hiện trong một thiết bị cô đặc đơn lẻ hoặc trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc.

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt.

Cô đặc dung dịch muối vô cơ ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển giúp duy trì tính ổn định ở nhiệt độ cao Quá trình này sử dụng hơi thứ để thực hiện cô đặc và phục vụ cho các quá trình đun nóng khác.

Cô đặc ở áp suất khí quyển là phương pháp đơn giản nhưng không hiệu quả về mặt kinh tế, vì hơi thải ra ngoài không khí không được tận dụng.

Trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm, quá trình cô đặc là phương pháp làm tăng nồng độ dung dịch bằng cách đun sôi, trong đó dung môi được tách ra dưới dạng hơi, trong khi chất hòa tan không bay hơi Quá trình này khác với chưng cất, nơi các cấu tử trong hỗn hợp đều bay hơi nhưng có sự khác biệt về nồng độ.

Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể được sử dụng để đun nóng một thiết bị khác Khi hơi thứ được dùng để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc, nó được gọi là hơi phụ.

Quá trình cô đặc có thể diễn ra trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi, hoạt động theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục Tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, quá trình này có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất khí quyển, có thể sử dụng thiết bị hở; ngược lại, khi làm việc ở áp suất thấp, cần thiết bị kín cô đặc trong chân không Lợi ích của việc làm việc ở áp suất thấp là nhiệt độ sôi của dung dịch giảm, từ đó tạo ra hiệu số nhiệt độ lớn hơn giữa hơi đốt và dung dịch, giúp giảm diện tích bề mặt truyền nhiệt.

Quá trình cô đặc nhiều nồi là phương pháp sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc sử dụng nhiệt Nguyên tắc hoạt động của quá trình này là dung dịch được đun nóng ở nồi đầu tiên bằng hơi đốt, sau đó hơi thứ từ nồi này sẽ được sử dụng để đun nồi thứ hai, và tiếp tục như vậy cho đến nồi cuối cùng, nơi hơi thứ được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch sẽ chuyển tiếp từ nồi này sang nồi khác, qua mỗi nồi, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên do một phần hơi bay hơi Để đảm bảo quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả, cần có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, tức là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi Thông thường, nồi đầu tiên hoạt động ở áp suất dư, trong khi nồi cuối cùng làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng) là quá trình chuyển đổi dung dịch từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn nhờ vào tác động của nhiệt Quá trình này xảy ra khi áp suất riêng phần của dung dịch đạt bằng áp suất tác động lên bề mặt chất lỏng.

Phương pháp lạnh là quá trình hạ nhiệt độ để tách cấu tử thành tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Nhiệt độ kết tinh phụ thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài, có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, và đôi khi cần sử dụng máy lạnh.

1.2.3 Ứng dụng của cô đặc

Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây

Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ

1.2.4 Cấu tạo thiết bị cô đặc

1.2.4.1 Phân loại theo cấu tạo

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 tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.

Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc).

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 Gồm:

Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.

Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.

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

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.

1.2.4.2 Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) hoạt động với nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được sử dụng để cô đặc dung dịch liên tục Phương pháp này giúp duy trì mức dung dịch ổn định, tối ưu hóa năng suất và rút ngắn thời gian cô đặc Tuy nhiên, nồng độ dung dịch cuối cùng đạt được không cao.

Cô đặc áp suất chân không là phương pháp hiệu quả cho dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100°C, giúp giảm thiểu cặn bã và duy trì quá trình bay hơi nước liên tục Phương pháp này đặc biệt thích hợp cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dễ bị phân hủy do nhiệt, đảm bảo chất lượng sản phẩm trong quá trình cô đặc.

Cô đặc ở áp suất dư là phương pháp lý tưởng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao, như dung dịch muối vô cơ Phương pháp này sử dụng hơi thứ để thực hiện quá trình cô đặc và phục vụ cho các quy trình đun nóng khác.

Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình công nghệ

Dựa trên tính chất của nguyên liệu và những ưu điểm của thiết bị, chúng tôi lựa chọn thiết bị cô đặc 3 nồi, hoạt động ngược chiều, có phòng đốt trong và ống tuần hoàn ngoài.

Khi quá trình cô đặc diễn ra theo chiều ngược lại, dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ được đưa vào nồi đầu, nơi nhiệt độ lớn hơn giúp độ nhớt không tăng nhiều Điều này dẫn đến hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đáng kể Thêm vào đó, lượng bốc hơi ở cuối nồi sẽ giảm khi áp dụng phương pháp cô đặc ngược chiều, làm cho lượng hơi nước sử dụng để ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ cũng giảm theo.

- Hệ thống này thường dùng cho dung dịch có độ nhớt cao, ăn mòn.

Dung dịch không thể tự di chuyển từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao, do đó cần sử dụng bơm để vận chuyển, điều này dẫn đến việc tăng chi phí.

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hình 1- 1 Quy trình công nghệ cô đặc NaNO 3 ba nồi ngược chiều

Dung dịch ban đầu trong thùng chứa được bơm ly tâm số 1 bơm qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng và lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt, nơi dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 3 Tại nồi 3, dung dịch NaNO3 bốc hơi một phần, với hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ; hơi không ngưng được bơm chân không số 6 hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt Sản phẩm được bơm số 2 chuyển vào nồi 2 để tiếp tục quá trình cô đặc, và sản phẩm từ nồi 2 được bơm số 3 vận chuyển làm nguyên liệu cho nồi 1, tiếp tục cô đặc đến khi đạt nồng độ yêu cầu và được bơm số 4 đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm Hơi đốt ở nồi 1 được cung cấp từ bên ngoài, trong khi nồi 2 sử dụng hơi thứ của nồi 1, nồi 3 sử dụng hơi thứ của nồi 2, và hơi thứ của nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ Nước được bơm từ bể chứa nước ngưng vào thiết bị ngưng tụ bằng bơm số 5, và lượng nước sau khi ngưng tụ sẽ tuần hoàn trở về bể chứa nước ngưng.

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Cân bằng vật chất

Mục đích: Tính được lượng hơi đốt và hơi thứ

Các số liệu ban đầu như sau:

Năng suất tính theo dung dịch đầu: 7 tấn/h = 7000 kg/h

Nồng độ đầu của dung dịch: 14 % khối lượng.

Nồng độ cuối của dung dịch: 46% khối lượng. Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at. Áp suất hơi còn trong thiết bị ngưng tụ: 0,1 at.

2.1.1 Xác định hơi thứ ra khỏi hệ thống

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:

Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)

W: lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h)

Viết cho cấu tử phân bố:

Gđ.xđ= Gc.xc+ W.xw

Trong đó: xđ, xc là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra ở nồi cuối (% khối lượng) xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:

Gđ.xđ= Gcxc (2) Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:

Gđ , Gc: lượng dung dịch ban đầu, dung dịch cuối, kg/h

2.1.2 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi:

Gọi W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, 2, 3 kg/h

Chọn phân bố hơi thứ theo tỉ lệ:

Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính ra được lượng hơi thứ bốc ra các nồi theo công thức: W = W1 + W2 +W3 = 7000 kg/h

2.1.3 Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp. x1 . W d d d

G  % khối lượng = 17,125 % khối lượng Trong đó: x1, x2 , x3 - nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối lượng;

W1, W2, W3 - lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h; xđ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng;

Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/h;

Cân bằng nhiệt lượng

Mục đích của bài viết này là tính toán lượng nhiệt cần tiêu tốn, hệ số truyền nhiệt K và nhiệt độ hữu ích Qua việc xác định hệ số truyền nhiệt K, chúng ta có thể tính được bề mặt truyền nhiệt một cách chính xác.

2.2.1 Xác định áp suất ban đầu

Gọi P1, P2 , P3, Pnt: là áp suất ở nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

P 1:hiệu số áp suất hơi đốt của nồi 1 so với nồi 2

P 2:hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 2 so với nồi 3

∆P 3 : hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ

P:hiệu số áp suất của toàn hệ thống

Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hòa

∆P = P 1  P nt = 5  0,1 = 4,9 at Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và theo tỉ lệ sau: 1 i i

2.2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi

Gọi: thd1 , thd2 , thd3, tnt : nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ tht1, tht2 , tht3 :nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3

Nhiệt độ hơi đốt của nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ của nồi trước trừ đi 1 oC, do tổn thất nhiệt độ từ trở lực thủy học trên đường ống dẫn Trong khi đó, nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng được xác định bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1 oC.

Tra bảng I.250, trang 312, [1] và bảng I.251, trang 314, [2]

Bảng 2 - 1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi

2.2.3 Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi

Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm ba yếu tố chính: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống Những yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và hiệu quả của quá trình cô đặc.

2.2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆’): Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất.

Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:

∆o’ : tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường f : hệ số hiệu chỉnh.

Tm là nhiệt độ của dung môi nguyên chất tại áp suất làm việc, tương đương với nhiệt độ hơi thứ, tính bằng độ C r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, được đo bằng J/kg.

SVTH: Đặng Thái Ân 14 t’ : nhiệt độ hơi thứ, o C

Trong các thiết bị cô đặc liên tục, bao gồm tuần hoàn tự nhiên và cưỡng bức, nồng độ dung dịch sôi thường gần với nồng độ cuối cùng (xc) Vì vậy, ∆’ được xác định dựa trên nồng độ cuối của dung dịch.

Tra đồ thị, trang 60, [2] và trang 312 [1].

Bảng 2 - 2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ xc (%kl) ∆o’ ( o C) t’ ( o C) r (J/kg) ∆’ ( o C)

2.2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)

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

∆’’ = tsdd(Ptb) - tsdd(Po) = tsdm( Ptb) - tsdm(Po)

Trong lòng dung dịch, nhiệt độ sôi tăng theo chiều sâu do áp lực của cột chất lỏng Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh được xác định bởi hiệu số giữa ống truyền nhiệt và mặt thoáng Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu: tại bề mặt, áp suất bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, trong khi ở đáy ống, áp suất tổng cộng bao gồm áp suất trên mặt và áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch Thông thường, trong tính toán, áp suất trung bình của dung dịch được sử dụng.

Áp suất hơi thứ Po trên bề mặt dung dịch được xác định với chiều cao lớp dung dịch sôi h1 là 0,5m từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, và chiều cao ống truyền nhiệt h2 được chọn là 2m cho cả ba nồi.

 : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3. dd s

 = (Công thứcV.04 trang 108, [3]) (2) g: gia tốc trọng trường, lấy g = 9,81 m/s 2

SVTH: Đặng Thái Ân 16 Để tính ttb của dung dịch NaNO3 ứng với Ptb ta dùng công thức Babo: ( s

P: áp suất hơi bão hòa trên bề mặt thoáng của dung dịch

Ps: áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội suy từ bảng I.250/312-[1]

Nồi 1: Ứng với x1= 46% � t s1 = 108,765 o C (Tra bảng I.204, trang 236 , [1])

Pht = 2,026 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,404 at

Ta có: ρdd = 1238 (kg/m 3 ) → ρdds = 619 (kg/m 3 )

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng: ttm = tth + '= 120,015 + 9,864 = 129,879 o C

Pht = 0,680 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,166 at ρdd = 1116 (kg/m 3 ) � ρ dds = 558 (kg/m 3 )

Pht = 0,106 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,122 at ρdd = 1069 kg/m 3 � ρ dds = 534,5 kg/m 3

Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn hệ thống:

2.2.3.3 Tổn thất do trở lực đường ống (∆’’’)

Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1 o C

Tổn thất nhiệt độ do trở lực gây ra trên cả hệ thống ∆’’’= 3 o C

2.2.3.4 Tổng tổn thất nhiệt cho toàn bộ hệ thống

2.2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong toàn bộ hệ thống và từng nồi

Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở các nồi 1, 2, và 3 được thể hiện qua các thông số thi, thi 2, và thi 3 Nhiệt độ hơi đốt của từng nồi lần lượt là thd1, thd2, và thd3, với đơn vị đo là độ C Bên cạnh đó, nhiệt độ sôi của dung dịch tại nồi 1, nồi 2, và nồi 3 được ghi nhận qua các thông số ts1, ts2, và ts3, cũng được đo bằng độ C.

,,: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, o C

Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống:

2.2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng C (J/kg.độ)

C = 4186.(1  x), J/kg.độ CTI.43/52 x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%) Nhiệt dung riêng dung dịch đầu :

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3 :

C3 = 4186.(1  0,17125) = 3469,148 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 :

C2 = 4186.(10,23751)= 3191,783 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x>20%

C= Cht.x + 4186.(1x) J/kg.độ (Công thức I.44, trang 152, [3]) Theo công thức :

.Cht = � CiNi (Công thức I.41, trang 152, [3]

M : Khối lượng mol của hợp chất

Ci : nhiệt dung riêng của đơn chất

Ni : số nguyên tử trong phân tử

CNa = 26000 (J/kg.độ) ; CO = 16800 (J/kg.độ) ;

= (26000.1 + 26000.1+ 16800.3) = 1204,706 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 :

I : nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg) i : nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)

Tra bảng I.249, trang 310, [1] và bảng I.250, trang 312, [2])

Bảng 2 - 3 Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng của hơi thứ, hơi đốt và nhiệt độ sôi của dung dịch trong các nồi

Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch

2.2.4.2 Tính nhiệt lượng riêng của dung dịch

Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết.

– D1, D2, D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)

– Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống (kg/h)

– W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3 (kg/h)

– C1, C2, C3 là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ) – Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch dịch vào và ra (J/kg.độ)

– Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ)

– I1, I2, I3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, (J/kg)

– i1, i2, i3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, (J/kg)

– tđ, tc là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, ( o C)

– t1, t2, t3 là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở Ptb ( o C)

–    1 2 3 , , là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, ( o C)

_ Qtt1, Qtt2, Qtt3 là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, (J)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng: � Q vào = � Q ra

Lập bảng nhiệt lượng riêng của hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung riêng của nước ngưng và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi.

Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi:

Bảng 2 - 4 Bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng của 3 nồi

Vào Hơi đốt mang vào D1.I1

Dung dịch mang vào (Gđ(W2+W3)).C2.ts2

Dung dịch mang ra (GđW).C1.ts1

Nước ngưng mang ra D1.Cn1. 1 Tổn thất nhiệt chung 1 0,05D1(I1-Cn1. 1)

Vào Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1) D2.I2=W1.i1

Dung dịch ở nồi 1 mang vào (Gđ-W3).C3.ts3

Dung dịch mang ra (Gđ-(W2+W3)C2.ts2

Nước ngưng mang ra D2Cn22

Tổn thất nhiệt chung 2 0,05D2(I2-Cn2. 2 )

Vào Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2) D3I3=W2i2

Dung dịch nồi 2 mang vào GđCđtđ

Dung dịch mang ra (Gđ-W3)C3ts3

Nước ngưng mang ra D3Ccn3 3 Tổn thất nhiệt chung 3 0,05D3(I3-Cn3 3 ) Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được:

Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2 (Tra bảng I.250, trang 312, [1] )

I = 2754,320.10 3 kJ/kg i1 = 2711,021.10 3 kJ/kg i2 = 2659,462.10 3 kJ/kg i3 = 2582,516.10 3 kJ/kg

Nhiệt độ sôi của dung dịch: tđ = 60,420 o C ts1 = 132,630 o C ts2 = 96,804 o C ts3 = 60,420 o C

Nhiệt dung riêng của dung dịch:

Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

D1(0,95I10,95Ccn1  1 )+ W2(i1  C 2 ts2) + W3(i1C2ts2) =Gđ(C1ts1C2ts2)+

W1i1+( Gđ–W3)C3ts3 = W2i2+( Gđ– W2 – W 3 )C2ts2 + W1Cn2  2

Giải hệ 3 phương trình 3 ẩn ,(2),(3), (4) ta có:

Tính sai số theo công thức:

Bảng 2 - 5 Bảng so sánh khác biệt giữa tính toán theo cân bằng vật chất và tính toán theo cân bằng năng lượng

Theo CBVL (kg/h) Theo CBNL (kg/h) Sai số (%)

Lượng hơi đốt vào nồi 1 tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi 1:

�Nếu tính theo cân bằng năng lượng ta được:

Tính các thông số kĩ thuật chính

2.3.1 Độ nhớt Áp dụng công thức Pavolov:

Với: t1,t2: là nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt   T 1, T 2

:là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tưng ứng.

Chọn chất chuẩn là nước

Nồi 1 : x = 46 % chọn chất chuẩn là nước

 t1 = 20 o C, Tra theo bảng I.107/100, ta có  T 1 = 1,65.10 -3 (N.s/m 2 )

� nhiệt độ của nước tương ứng với  T 1 :  1 = 2,413 o C

Ta có  1 = 0,862.10 -3 (N.s/m 2 ) (Tra bảng I.104, trang 96, [1])

Nồi 2 : x = 28,496 % chọn chất chuẩn là nước

 ∆t1 = 20 o C, Tra theo bảng I.107/100, ta có  T 1 = 1,29.10 -3 (N.s/m 2 )

Ta có  1 = 0,150.10 -3 (N.s/m 2 ) (Tra bảng I.104, trang 96, [1])

Nồi 3 :x = 19,786 % chọn chất chuẩn là nước

� nhiệt độ của nước tương ứng với  T 1 :  1 = 13.984 o C

Tra bảng I.104/96/STQTTBT1, ta có  1 = 0,072.10 -3 (N.s/m 2 ).

2.3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ( )

A : là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước; lấy

Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg độ)

M : khối lượng mol trung bình của chất dung dịch

Trong đó: M = mi.Mdd + (1-mi).M H O 2

Nồi 2 tương tự ta có: mi2 = 0,062

Hệ số cấp nhiệt (  )

2.4.1 Về phía hơi ngưng tụ

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

q2 thì < 5% là thoả.

Vậy nhiêt tải trung bình:

Hiệu số cấp nhiệt của nước:

∆t23= tT23t23= 67,88660,420 = 7,466 0 C Áp suất hơi thứ tại nồi 3:

Ta có: Cn= 4198,160 J/kg.độ àn= 0,495.10 -3 N.s/m 2 λn= 0,792 W/m.độ ρn= 1039,449 kg/m 3

Kiểm tra lại giả thuyết ∆t1

Giả sử q1 > q2 thì < 5% là thoả.

Vậy nhiệt tải trung bình:

2.4.3 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi

Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi như nhau nên nhiệt độ hữu ích phân bố trong các nồi là:

 t hi :nhiệt độ hữu ích trong các nồi( 0 C)

Q i :là nhiệt lượng cung cấp(W)

K i :là hệ số truyền nhiệt(W/m 2 độ)

D i :lượng hơi đốt của mỗi nồi r i :ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước

Ta có hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống là

 Nhiệt độ hữu ích của từng nồi là:

Sai số nhiệt độ hữu ích là:

Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi theo công thức:

Vậy thực tế bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là:

Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

Theo kinh nghiệm, diện tích bề mặt truyền nhiệt thường được chọn lớn hơn 10% so với giá trị tính toán Dựa vào các yếu tố F1, F2, F3, có thể thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi với diện tích truyền nhiệt bằng nhau, mỗi nồi có diện tích 68 m².

THIẾT KẾ CHÍNH

Buồng đốt

3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt

F: diện tích bề mặc truyền nhiệt, m 2 Fh m 2 h: chiều cao của ống truyền nhiệt dt: đường kính trong của ống truyền nhiệt

Chọn loại ống truyền nhiệt có đường kính ngoài 38 mm (Tra bảng VI.6, trang

80, [2]). Đường kính trong của ống truyền nhiệt: dt4 (mm)

Chọn chiều cao của ống truyền nhiệt: h=2 (m)

Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt (Tra bảng V.11, trang 48, [2]) Chọn n = 301 ống.

Chọn cách xếp ống theo hình lục giác đều (Tra bảng 3.6, trang 237, [1])

Số ống trong các hình viên phân là 30 ống

Số hình sáu cạnh là 9

Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác b= 19 ống.

3.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Tổng tiết diện ngang của thiết bị gia nhiệt: d: Đường kính ống truyền nhiệt

36 n: Số ống truyền nhiệt cần được tra sách và làm tròn theo chiều tăng

Tiết diện ngang của ống tuần hoàn, m 2 , thường lấy bằng 25 đến 30% tổng tiết diện ngang của các ống gia nhiệt FD, chọn 30% Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

3.1.3 Đường kính trong buồng đốt

(Công thức III.28, trang 121, [5]) Trong đó : t là bước ống, thường chọn t= (1,2÷1,5)dn

: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m

: Hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường chọn = (0,7÷0,9) l : Chiều dài ống truyền nhiệt, m.

: Đường kính ngoài của ống tuần hoàn, m

Sin60 o : 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

F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m 2

(công thức V16.STCNTP-Phan Van Thom/ 154)

Chọn Dt = 1,2 (m) (Bảng XIII.6, trang 359, [2])

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép chiệu nhiệt SUS304.

Bề dày buồng đốt được xác định theo công thức :

Dt : đường kính trong của buồng đốt (m), Dt =1,2 (m).

 : hệ số bền của thành hình trụ tính theo phương dọc, chọn  =0,95

C : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày, (m)

C1: bổ sung do ăn mòn (chọn 1mm)

C2: bổ sung do hao mòn, (bỏ qua)

C3: bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, Theo bảng XIII.9,STQTTB,T2/364 ta chọn : C3 = 0,4 mm

P: áp suất trong thiết bị (at) P=Phd

Vật liệu SUS304 có giới hạn bền là :

Suy ra ứng suất cho phép của thép SUS304 theo giới hạn bền là :

C c c n n (Công thức XIII.1và XIII.2 ,trang 355, [2])

 :hệ số hiệu chỉnh, chọn  =0,9

(Tra bảng XIII.2, trang 356, [2]) n k : hệ số an toàn bền, chọn n k =2,6 ; n c = 1,5

(Tra bảng XIII.3, trang 356, [2]) Ứng suất cho phép phải lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điều kiện bền, tức là lấy    = 144.10 6 (N/m 2 )

Chọn S1 = 0,004 (m) = 4 (mm) để đảm bảo độ bền.

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

(CTXIII.26, trang 365, [2]) Trong đó: P0 là áp suất thử tính theo công thức sau:

Pth: áp suất thử thủy tĩnh lấy theo bảng XIII.5, trang 358, [2]

Chọn Pth = 1,5Phđ, vì 0,007.10 6 < Phđ = 343350

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	1,45 MB