Trong thời kỳ đất nước đang trong quá trình phát triển theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì nền công nghiệp của nước ta đang phát triển mạnh kéo theo sự phát triển của ngành sản xuất các hợp chất hóa học, bởi các hợp chất hóa học có ứng dụng vô cùng quan trọng để các ngành khác phát triển.Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng. Đểnăng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. trong thực tế người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất xử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất ,em được nhận đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”.Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một sốmôn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị , hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá trình công nghệ .Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu ,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán và thiết kế,tựnâng cao kĩ năng trình bầy bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đềmột cách có hệ thống.Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NH4NO3, năng suất 7455 kgh, nồng độ dung dịch ban đầu 10%, nồng độ sản phẩm 34%.
GIỚI THIỆU CHUNG
GIỚI THIỆU VỀ DUNG DỊCH NH 4 NO 3
Amoni Nitrat (NH4NO3) là một hợp chất hóa học có tinh thể màu trắng, khả năng hút ẩm mạnh và tan trong nước Hợp chất này còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như Ammonium nitrate, Nitrat Amon và Amoni Nitrate.
2.1 Tính chất vật lý của NH4NO3:
- Ammonium nitrate có dạng rắn, màu trắng, hút ẩm mạnh và tan được trong nước.
- Khối lượng mol của NH4NO3 là 0.04336 g/mol
- Tỷ trọng của NH4NO3 là 1.73 g/cm³, rắn.
- Nhiệt độ nóng chảy của NH4NO3 là 169 °C.
- Nhiệt độ sôi của NH4NO3 là khoảng 210 °C.
- Độ hòa tan trong nước của NH4NO3 là:
2.2 Tính chất hóa học của NH4NO3:
- Amoni nitrat có thể bị nhiệt phân dưới tác dụng của nhiệt độ từ 190 đến
245°C làm xuất hiện bọt khí do N2O được sinh ra:
- Amoni nitrat có thể tác dụng được với Axit như HCl, H2SO4:
HCl + NH4NO3 ⟶ HNO3 + NH4Cl
H2SO4 + 2NH4NO3 ⟶ (NH4)2SO4 + 2HNO3
- Amoni nitrat có thể tác dụng với các bazơ như:
KOH + NH4NO3 ⟶ H2O + KNO3 + NH3
NaOH + NH4NO3 ⟶ NaNO3 + NH4OH Ca(OH)2 + 2 NH4NO3⟶ Ca(NO3)2+ 2H2O + 2NH3
- Amoni nitrat có thể với các muối như:
Na3PO4 + NH4NO3+ Be(NO3)2 ⟶ 3NaNO3 + Be(NH4PO4).
2.3 Các ứng dụng của NH4NO3:
- Làm nguyên liệu phân bón: Amoni nitrat dưới dạng phân bón sẽ bổ sung hàm lượng Nitơ cho cây thông qua nitrat và amoni.
Amoni nitrat là một chất được chính phủ quản lý chặt chẽ do tính dễ nổ của nó Với đặc tính là chất oxy hóa mạnh và khả năng hút ẩm cao, amoni nitrat hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất thuốc nổ, nhưng cũng tiềm ẩn nguy cơ gây cháy nổ.
- Amoni nitrat còn được sử dụng trong sản xuất túi ướp lanh gồm 2 lớp; một lớp chứa amoni nitrat khô và lớp còn lại chứa nước.
- Amoni nitrat được sử dụng cho ngành công nghiệp dệt may ngành công nghiệp mạ điện, khai khoáng, công nghiệp hàn, …
- Amoni nitrat được sử dụng cho ngành hóa chất, làm cho oxydol, phèn amoni.
- NH4NO3 là chất oxy hóa mạnh Khi tiếp xúc với các vật liệu dễ cháy hoặc chất hữu cơ sẽ gây cháy.
- Tự động bốc cháy ở nhiệt độ 3000 độ C tương đương 5720 độ F.
- Có khả năng tự gây cháy/nổ khi tiếp xúc trực tiếp với bột kim loại và một vài chất hữu cơ như Urê và axit axetic.
- Bảo quản NH4NO3 ở nhiệt độ thích hợp và thông thoáng.
Khi xảy ra cháy nổ, không nên sử dụng bình chữa cháy chứa carbon tetrachloride hoặc dung dịch axit, vì amoni nitrat có thể bị nhiễm các chất này, gây ra nguy hiểm và dễ nổ.
SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT
3.1 Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc dung dịch NH4NO3:
Hình ảnh 1: Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc dung dịch.
1 Thùng chứa dung dịch đầu 8 Thùng chứa nước
2 Bơm 9 Thùng chứa sản phẩm
3 Thùng cao vị 10 Thiết bị ngưng tụ Baromet
4 Lưu lượng kế 11 Thiết bị tách bọt
5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 12 Bơm chân không
6 Thiết bị cô đặc 13 Ống tuần hoàn
Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục:
Dung dịch NH4NO3 10% được bơm từ thùng chứa vào thùng cao vị, sau đó chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị trao đổi nhiệt, nơi dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi Tiếp theo, dung dịch được làm nóng thêm bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm trong nồi, với hơi đốt truyền nhiệt vào dung dịch Một phần khí không ngưng được dẫn qua cửa tháo khí không ngưng, trong khi nước ngưng được loại bỏ qua cửa tháo nước ngưng Khi dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong phòng bốc, được gọi là hơi thứ Trước khi ra khỏi nồi, hơi thứ đi qua bộ phận tách bọt để hồi lưu phần dung dịch bốc hơi qua ống dẫn bọt.
Dung dịch từ nồi thứ nhất tự di chuyển qua nồi thứ hai nhờ sự chênh lệch áp suất, trong đó áp suất nồi sau nhỏ hơn nồi trước Nhiệt độ của nồi trước cao hơn nồi sau, khiến dung dịch vào nồi thứ hai có nhiệt độ vượt quá nhiệt độ sôi Kết quả là dung dịch sẽ bị làm lạnh, và lượng nhiệt này sẽ bốc hơi một phần nước, quá trình này được gọi là tự bốc hơi.
Dung dịch từ nồi (7) được chuyển vào thùng chứa sản phẩm (10) Hơi thoát ra từ nồi (7) được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8), nơi nước làm lạnh từ trên xuống giúp ngưng tụ hơi thành lỏng Lượng lỏng này chảy qua ống Baromet ra ngoài, trong khi khí không ngưng tụ sẽ đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) và sau đó được bơm hút chân không.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống
Từ công thức (VI.1-ST2- T55):
Ta có tổng lượng hơi thứ của hệ thống là:
Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi
Chọn tỷ lệ phân bố hơi thứ của hai nồi như sau:
W1:W2 = 1:1 Trong đó: W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1
W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2
Từ cách chọn tỷ lệ đó thì ta tính được lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi là:
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi mỗi nồi
Lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 vào nồi 2 là:
Từ công thức (VI.2a-tr57-T2) ta có:
Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 1 vào nồi 2 là:
Lượng dung dịch ra khỏi nồi 2 là:
Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 2 là : Đúng như bài ra ban đầu đã cho nồng độ cuối của nồi 2 là 34%
2.TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG.
Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (
Trong đó: : áp suất hơi đốt nồi 1
: áp suất hơi nước ngưng.
Nhiệt độ, áp suất hơi đốt của mỗi nồi
Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
Vậy áp suất hơi đốt ở từng nồi là: Ở nồi 1: Ở nồi 2:
Xác định nhiệt độ hơi đốt ở mỗi nồi:
Từ bảng (I.251/ST1-T315) ta có bảng sau:
Bảng 1: Nhiệt độ và áp suất hơi đốt ở từng nồi.
Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi
Khi hơi nước di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 và sau đó từ nồi 2 đến thiết bị ngưng tụ, sẽ xảy ra tổn thất nhiệt độ trong khoảng ∆ = 1 ÷ 1,5℃ Do đó, hơi nước sẽ trở thành hơi đốt cho nồi 2 với giá trị ∆ được chọn là 1℃.
Gọi nhiệt độ và áp suất của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 lần lượt là:
Tra bảng (I.250/ST1-T312), ứng với mỗi nhiệt độ hơi thứcủa mỗi nồi sẽ cho áp hơi thứ tương ứng:
Kết quả tính được cho ta bảng dưới đây:
Nồi I Nồi II Hơi ngưng tụ Áp suất (at)
Nhiệt độ (℃) Áp suất (at)
Nhiệt độ (℃) Áp suất (at)
Bảng 2: Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở từng nồi và hơi ngưng tụ.
Tính tổn thất nhiệt độ của từng nồi
2.4.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ: Áp dụng công thức (VI.10/ST2 – T59):
: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường.
: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho
: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg).Tra bảng (VI.2/ST2 – T61-T62):
- Xác định nhiệt độ Ti:
Nên ta có tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi là:
Vậy tổn thất nhiệt độ do nồng độ của cả hệ thống là:
2.4.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: Áp dụng công thức (VI.12/STT2 - T60):
: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng dung dịch (at);
: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt(m);
: chiều cao của ống truyền nhiệt (m);
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m 3 ) Lấy gần đúng bằng khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC;
: gia tốc trọng trường (m/s 2 ) Lấy gần đúng bằng 9,81 m/s 2
Khối lượng riêng của dung dịch NH4NO3 ứng với mỗi nồng độ được xác định theo bảng (I.29/ST1 – T38):
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là:
Theo đề bài : Nên ta có:
Nồi 2: Áp dụng công thức (VI.13/STT2-T60) để tính áp suất thủy tĩnh của hệ thống:
: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất ( 0 C )
: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất ( 0 C )
Vậy tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh của từng nồi là :
2.4.3 Nhiệt độ tổn thất do đường ống:
Nhận xét cho thấy trở lực chính nằm ở các đoạn ống nối giữa các thiết bị, cụ thể là giữa nồi 1 và nồi 2, cũng như giữa nồi 2 và thiết bị ngưng tụ Tổn thất nhiệt độ qua đường ống được ước lượng là 1 độ C.
Vậy tổng nhiệt độ tổn thất của quá trình là:
Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi
2.5.1 Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống:
Hệ số nhiệt độ hữư ích trong hệ thống được xác định:
: Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ ngưng ở thiết bị ngưng tụ.
2.5.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi:
, : nhiệt độ hơi thứ của từng nồi
2.5.3 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Hình ảnh 2: Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống.
D : Lượng hơi đốt vào (kg/h)
: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, vào nồi 2 (J/kg)
: hiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 (J/kg độ)
: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2
Cd, C1,Cn1,Cn2,C2 : Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng.
Qm1,Qm2 : Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2
Gd : Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị
W1 , W2 : Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2 2.6.1 Nhiệt lượng vào gồm có:
- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào: D.i
Nhiệt do dung dịch mang vào: GđC0 tso
- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào: W1.i2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang: (Gd – W1)C1ts1
- Dung dịch mang ra: (Gd – W1)C1ts1
- Do dung dịch mang ra: (Gd – W1 – W2)C2.ts2
- Nhiệt mất mát: Qm2 = 0,05W1(i2– Cn2)
2.6.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt: Được thành lập dựa trên nguyên tắc:
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra.
Kết hợp pt (1), (2), (3) ta được:
Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:
Nhiệt độ sôi của dung dịch:
Tra bảng I.204/ Tr 236/ ST1: Đã tính được:
Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra theo bảng I.249/ST1 – T310:
Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, ra khỏi nồi 2:
- Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 10% Áp dụng công thức I.43 /ST1 – T152 ta có:
- Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ
- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ: Áp dụng công thức I.44/ST1 – T152 ta có: là nhiệt dung riêng của NH4NO3 được xác định theo công thức I.41/ST1– T152:
Tra từ bảng I.141 /ST1 – T152: c1 = 26000 J/kg nguyên tử độ c2 = 9630 J/kg nguyên tử độ c3 = 16800 J/kg nguyên tử độ
: Số nguyên tử N: n1 = 2: Số nguyên tử H: n2 = 4: Số nguyên tử O: n3 = 3: Nhiệt dung riêng của nguyên tử N, H, O.
- Xác định hàm nhiệt hơi đốt và hơi thứ:
Thay các kết quả ta đã tính toán được vào pt (4) và pt (5) ta được kết quả sau:
Tỷ lệ hơi thứ trong mỗi nồi:
Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân bằng vật chất < 5%, vậy thoả mãn.
Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi
Để tính hệ số truyền nhiệt ta cần tính hệ số cấp nhiệt ở phía hơi đốt và phía dung dịch.
2.7.1 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:
Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 là:
Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt được xác định khi hơi bão hòa không chứa khí trơ và màng nước ngưng chảy dòng Công thức tính toán cho hệ số này là: (V.101 - ST2 - T.28).
A : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tmi : hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi i, (W/m 2 độ)
: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng của nồi i
: là chiều cao ống truyền nhiệt, H = 2 m : là ẩn nhiệt ngưng tra theo nhiệt độ hơi đốt.
được tính theo công thức: tmi được tính theo công thức:
Trong đó: : nhiệt độ hơi đốt
: nhiệt độ tường phía hơi đốt
Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : (ST2 – T29 )
2.7.2 Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
Ta có các thông số ở bảng sau:
Bảng 3: Thông số để xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ.
2.7.3 Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch:
Với dung dịch sôi ta có thể tính theo công thức:
Theo bảng tổng hợp số liệu 2 ta có:
Hiệu số nhiệt độ ở 2 thành ống truyền nhiệt:
Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt:
Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến áp suất hơi thứ và hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch r1, r2 Nhiệt trở cặn bẩn ở cả hai bên thành ống, bao gồm cặn bẩn bên ngoài do nước ngưng và cặn bẩn bên trong do dung dịch, đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt.
Tra bảng VI.6/ST2 – T80 ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép CT3, hệ số dẫn nhiệt của nó là:
Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi mỗi nồi là:
Hệ số hiệu chỉnh được tính theo công thức VI.27-ST2/71:
(dd: dung dịch, nc: nước) Trong đó:
Khối lượng riêng của nước: tra bảng I.249-ST1/T310:
Khối lượng riêng của dung dịch NH4NO3 ứng với mỗi nồng độ được xác định theo bảng I.21-ST1/T34:
Nhiệt dung riêng của nước: tra bảng (I.249 /ST1 – T 311):
Nhiệt dung riêng của dung dịch NH4NO3: (tra theo kết quả tính ở 2.6.3)
Hệ số dẫn nhiệt của nước: tra bảng (I.129/ST1 – T133):
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được xác định theo công thức:
: hệ số dẫn nhiệt, W/m độ : khối lượng riêng, kg/m 3
C : nhiệt dung riêng, J/kg độ
: lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch.
A : Hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng,
A = 3,58.10 -8 : Nhiệt dung đẳng áp cảu dung dịch (J/kg độ) : Khối lượng riêng cảu dung dịch (kg/m 3 )
M : Phân tử lượng của chất lỏng,
M =a.Mdd +(1-a)MH2O= 80 a + 18 (1-a) a: nồng độ phần mol
Tính độ nhớt của dung dịch: Áp dụng công thức Pavơlop:
Trong đó: t1,t2: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng A có độ nhớt tương ứng là 1 và 2
1 , 2 : nhiệt độ mà tại đó chất lỏng chuẩn có cùng độ nhớt là 1 và 2
Tra bảng I.107-ST1/T100 và T101 ta có độ nhớt của dung dịch NH4NO3
15,4545 % tương ứng với nhiệt độ:
Chọn nước làm chất chuẩn tra bảng I.102 – ST1/T94:
Dung dịch NH4NO3 có nhiệt độ sôi 108,7188 o C:
Tra bảng I.107 – ST1- T100 và T101 ta có độ nhớt của dung dịch NH4NO3 34 % tương ứng với nhiệt độ:
Chọn nước làm chất chuẩn tra bảng I.102 – ST1/T94:
Dung dịch NH4NO3 có nhiệt độ sôi 73,4504 o C:
Độ nhớt của nước tra bảng ;(I.104/ST1 – 96) và (I.102/ST1 – 95)
Bảng 4: Thông số dùng để xác định hệ số cấp nhiệt ở từng nồi.
- Ta có hệ số hiệu chỉnh của từng nồi là:
Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi hoàn toàn xác định như sau:
2.7.4 Xác định nhiệt tải riêng về phía dung dịch:
Tính sai số so sánh q1 và q2:
Ta thấy ⇒ thỏa mãn hay tỉ lệ lượng hơi thứ chọn như ban đầu là phù hợp.
2.7.5 Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi:
Theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt hữu ích, điều kiện bề mặt truyền nhiệt của các nồi là bằng nhau Hệ số truyền nhiệt được xác định thông qua một công thức cụ thể.
: Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi,
: nhiệt tải riêng trung bình.
2.7.6 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi :
Phân bố nhiệt độ hữu ích trong các nồi cần đảm bảo bề mặt đun nóng đồng đều Trong tình huống này, hiệu số nhiệt độ hữu ích giữa các nồi tỷ lệ thuận với tỷ số của các nồi tương ứng Theo công thức 3.33 – QTTBT3/T155, việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất nấu nướng.
Qi : lượng nhiệt tiêu tốn (W), được tính theo công thức :
Ki: hệ số truyền nhiệt của từng nồi (W/m 2 độ) ri: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt:
Thay số ta tính được chênh lệch nhiệt độ hữu ích giữa các nồi:
Do sai số nhỏ hơn 5% nên ta chấp nhận giả thiết phân bố áp suất ban đầu.
Tính bề mặt truyền nhiệt
Theo phương pháp bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau: (ST2/T46)
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Nhiệt lượng trao đổi (Q)
: lưu lượng hỗn hợp đầu, 7455 kg/h : nhiệt dung riêng của hỗn hợp,
: nhiệt độ sôi của hỗn hợp, : nhiệt độ môi trường Thay số:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích
Do: nên nhiệt độ trung bình giữa 2 lưu thể là:
- Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể:
Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:
: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt đọ hơi bão hòa,
: chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt : chiều cao ống truyền nhiệt,
: hằng số tra theo màng nước ngưng.
Thay số vào (1) ta được:
Nhiệt tải riêng về phía hơi nước ngưng tụ:
- Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy:
Theo công thức V.40-ST2/T14 ta có:
: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài L và đường kính d của ống Chọn đường kính d = 342 mm ; L = 4m
Ta có: ( theo V.2-ST2/T15) : chuẩn số, được tính theo công thức V.35-ST2/T12:
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở
Tra bảng (I.107- ST1/T101) ta có độ nhớt dung dịch: à = 0,3534.10 -3 Ns/m 2 Tra bảng I.29-ST1/T37 ta có khối lượng riêng của hỗn hợp ở t2tb: ρ = 1009,7 kg/m 3
Nên: λ=A.Cp.p=3,58.10 -8 3767,4.1009,7.= 0,5075(W/m.độ) Thay số vào (3) ta được:
Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống :
: Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp
: Tổng nhiệt trở ở 2 thành ống truyền nhiệt: Ống dẫn nhiệt làm bằng làm thép CT3 có chiều dày δ = 2 (mm) = 0,002 m, nên: λ = 46,4 (W/m độ)
: nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường (bên ngoài cặn bẩn của nước ngưng bên trong cặn bẩn do dung dịch)
Tra theo bảng (V.I/ST2 - T4) ta có: r1 = 0,387.10 -3 m 2 độ/W r2 = 0,2937.10 -3 m 2 độ/W Tra bảng ( VI.6/ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là δ = 2mm = 0,002 m
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép CT3, hệ số dẫn nhiệt của nó là: λ λ = 46,4 (W/m độ) Thay vào CT ta được :
Thay số vào (4) ta được:
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp;
: độ nhớt của hỗn hợp tra bảng I.104-ST1/T101 àt = 0,285.10 -3 Ns/m 2 : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở λt = A.Cp (6) Với : A = 3,85.10 -8
: khối lượng riêng của hỗn hợp ở Tra bảng I.39-ST1/T37 ta có : ρ = 1008,575 kg/m 3 Thay vào công thức (6) ta có :
t = 3,58.10 -8 3539,0746 1008,575.= 0,477( W/m 2 độ) Thay số vào (5) ta được:
Thay số vào (2) ta được hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy là :
- Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch:
Sai số nhỏ hơn 5% ta chấp nhận giả thiết.
Bề mặt truyền nhiệt
: Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch :
Số ống chảy truyền
: đường kính ống truyền nhiệt,
: chiều cao ống chảy truyền,
Quy chuẩn n = 241 ống Theo bảng V.11-ST2/T48 có:
Sắp xếp ống theo hình 6 cạnh
Số ống trên đường xuyên tâm 6 cạnh
Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân
Tổng ống trong tất cả các hình viên phân
Tổng ống trong thiết bị
Bảng 5: Số ống trong thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm.
Đường kính trong của thiết bị đun nóng
: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,
: số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh,
Quy chuẩn theo bảng XIII.6-ST2/T359.
Tính vận tốc và chia ngăn
- Vận tốc thực được tính theo công thức:
Vì lớn hơn 5% nên ta cần chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy
- Số ngăn được xác định như sau:
- Tính lại chuẩn số Re:
Vậy các kích thước cần lưu ý của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là:
- Đường kính của thiết bị:
- Chiều cao giữa 2 mặt bích: H = 2 m
2.THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET:
Sau khi ra khỏi nồi cô đặc, hơi được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet để thu hồi nước và tách khí không ngưng Hơi vào thiết bị ngưng tụ từ dưới lên, trong khi nước làm lạnh chảy từ trên xuống qua các tấm ngăn Hỗn hợp nước làm lạnh và nước ngưng tụ sẽ chảy xuống ống baromet.
Hệ thống thiết bị: Chọn thiết bị ngưng tụ Baromet – thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao.
Sơ đồ thiết bị như sau:
1- Thân 2- Thiết bị thu hồi bọt
GVHD: ThS Nguyễn Văn Hoàn SVTH: Vũ Tiến Sơn
3- Ống baromet 4- Ống dẫn khí không ngưng 5- Bơm chân không
Trong thân 1 gồm có những tấm ngăn hình bán nguyệt
Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phun nước lạnh vào hơi, giúp hơi tỏa ẩn nhiệt để làm nóng nước và sau đó ngưng tụ lại Do đó, thiết bị này chỉ phù hợp để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không giá trị hoặc không tan trong nước, vì chất lỏng này sẽ hòa trộn với nước làm nguội.
Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều loại khô cho thấy thiết bị có thân hình trụ (1) với các tấm ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống baromet (3) để xả nước và chất lỏng đã ngưng tụ Hơi vào thiết bị từ dưới lên, trong khi nước chảy từ trên xuống qua các tấm ngăn Hỗn hợp nước và chất lỏng ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí không ngưng đi lên qua ống (5) vào thiết bị thu hồi bọt (2) và tiếp tục chảy xuống ống baromet Khí không ngưng được hút ra bằng bơm chân không từ phía trên Ống baromet thường có chiều cao H ≥ 10,5m để đảm bảo khi độ chân không tăng, nước không tràn vào thiết bị.
Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra được mà không cần bơm nên tốn ít năng lượng, năng suất lớn.
Trong ngành công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ baromet chân cao ngược chiều loại khô được sử dụng phổ biến trong hệ thống cô đặc nhiều nồi Thiết bị này thường được lắp đặt ở vị trí cuối của hệ thống, do nồi cuối thường hoạt động ở áp suất chân không.
Hình ảnh 3: Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet
Các số liệu cần thiết:
- Lượng hơi thứ ở cuối nồi trong hệ thống cô đặc:
- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ:
- Các thông số của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hê thống:
Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ
Theo công thức VI.51-ST2/T84:
: lượng nước lạnh cần thiết đểa ngưng tụ,
: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ,
: hàm nhiệt của hơi ngưng, Tra theo bảng I.251-ST1/T314
: nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh,
: nhiệt dung rieenng trung bình của nước, Ở đây:
Chọn: và , nhiệt độ trung bình là:
Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ Baromet
Đường kính của thiết bị
Áp dụng công thức VI.52-ST2/T84:
: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, (m)
: khối lượng riêng của hơi nước ngưng tụ, (kg/m 3 )
: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ, m/s.
Khi thiết bị ngưng tụ hoạt động với áp suất khoảng 0,1 ÷ 0,2 at, tốc độ chọn h là từ 55 ÷ 35 m/s Đối với áp suất từ 0,2 ÷ 0,4 at, tốc độ chọn sẽ là 35 ÷ 15 m/s Với áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ là 0,18 at, tốc độ h được chọn là 30 m/s.
Dựa vào dãy đường kính chuẩn của thiết bị ngưng tụ VI.8–ST2/T88, chọn:
Kích thước tấm ngăn
- Tấm ngăn có dạng hình viên phấn để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn là b, có đường kính là D, từ công thức VI.53-ST2/T85:
- Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ: Nếu nước làm nguội là nước sạch nên lấy đường kính các lỗ bằng 2 mm, nếu nước bẩn là 5mm
- Chiều dày tấm ngăn chọn
- Chiều cao gờ tấm ngăn
- Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên 1 cặp tấm ngăn là: (VI.54-ST2/T85)
: lưu lượng nước, m 3 /s Ở nhiệt độ trung bình 37,5 0 C, khối lượng riêng của nước là 994 kg/m 3
: tốc độ của tia nước, m/s Tốc độ tia nước khi chiều cao gờ của tấm ngăn là
- Các lỗ được xếp theo hình lục giác đều, bước ống tính theo công thức VI.55- ST2/T85: trong đó:
: Tỷ số giữa tổng số diện tích tiết diện các lỗ với tiết diện của thiết bị ngưng tụ. Thường lấy (0,025 - 0,1) Chọn (đối với nước làm lạnh bẩn)
Chiều cao của thiết bị ngưng tụ
Mức độ đun nóng được xác định theo công thức: VI.56-ST2/T85
: nhiệt độ hơi bão hòa ngưng tụ, ,
: nhiệt độ đầu và cuối của nước
Dựa vào mức độ đun nóng với đường kính lỗ 2 mm, quy chuẩn theo bảng VI.7-ST2/T85 lấy
Khoảng cách giữa các ngăn (mm)
Thời gian rơi qua một bậc (s)
Mức độ đun nóng Đường kính của tia nước
Bảng 6: Trị số mức độ đun nóng nước P trong thiết bị ngưng tụ.
H = số ngăn.khoảng cách giữa các ngăn = 8.300= 2400 mm
Khi hơi di chuyển trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên, thể tích của nó sẽ giảm dần Do đó, khoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng cần giảm dần theo chiều từ dưới lên, khoảng 50mm cho mỗi ngăn.
Ta có những kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet như sau:
Các thành phần của thiết bị ngưng tụ Kích thước
Chiều dày thành thiết bị S = 5 mm
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị a = 1300 mm
Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy P = 1200 mm
Bề rộng của tấm ngăn b = 300 mm
Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ với thiết bị thu hồi
Chiều cao của hệ thống thiết bị H = 4550 mm
Chiều rộng của hệ thống thiết bị T = 1400 mm Đường kính thiết bị thu hồi D1 = 400 mm
Chiều cao thiết bị hu hồi h = 1400 mm Đường kính các cửa ra và vào:
Hỗn hợp khí và hơi ra d3 = 100 mm
Nối với ống Baromet d4 = 150 mm
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d5 = 100 mm
Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi d6 = 70 mm
Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet d7 = 50 mm
Bảng 7: Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet.
Kích thước ống Baromet
2.6.1 Đường kính trong của ống: Được tính theo công thức: VI.57- ST2/T86:
: lượng nước lạnh tưới vào tháp,
: tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s Thường lấy 0,5 ÷ 0,6 m/s Ta chọn = 0,5 m/s
: chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số áp suất trong thiết bị ngưng tụ và khí quyển.
Theo công thức VI.59- ST2/T86:
Với: là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ, mmHg
: chiều cao cột nước trong ống Baromet cần thiết để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống (m)
Theo công thức VI.61- ST2/T87:
: đường kính trong của ống baromet, : chiều cao của ống baromet Để tính ta kiểm tra chế độ chảy của chất lỏng trong ống theo tiêu chuẩn Re.
Tra bảng I.249-ST1/T310: ở Tra bảng I.102-ST1/T94:
Vậy chế độ chảy trong ống bazomet là chế độ chảy xoáy.
Theo công thức II.64- ST1/T380:
Thay (*) và (**) vào (1) ta được:
Chiều cao ống Baromet phải ≥ 10,5 để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy vào ống dẫn hơi thứ khi độ chân không tăng cao, ta chọn
BƠM
Bơm li tâm là thiết bị phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ vào khả năng làm việc với áp suất trung bình và thiết kế đơn giản Ưu điểm nổi bật của loại bơm này là cung cấp lưu lượng ổn định, đáp ứng hiệu quả nhu cầu sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
3.1 Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: Áp suất toàn phần do bơm tạo ra theo công thức II.185- ST1/T438:
: Áp suất toàn phần do bơm tạo ra, tính bằng chiều cao cột chất lỏng cần bơm, m.
: áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian hút và đẩy, ()
: chiều cao nâng chất lỏng, chiều cao hình học chọn
: trở lực cục bộ trong đường ống hút và đẩy.
- Xác định trở lực đường ống từ thùng chứa đến thùng cao vị:
Tốc độ chảy từ thùng chứa đến thùng cao vị: là năng suất hỗn hợp đầu, là khối lượng riêng dung dịch ở 25 o C, là đường kính ống dẫn,
Thay số vào ta có:
Trở lực tiêu tốn để thắng lực trên đường ống đẩy và hút chính là áp suất toàn phần, cần thiết để vượt qua tất cả sức cản thủy lực trong đường ống khi dòng chảy diễn ra ở trạng thái đẳng nhiệt.
: áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn:
: khối lượng riêng của chất lỏng : vận tốc của lưu thể.
: áp suất khắc phục trở lực khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng:
: điều kiện của ống : chiều dài ống, chọn
: hệ số ma sát, Chỉ số Reynold:
: độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi (nhiệt độ cuối khi ra nhiệt) ở 25 o C tra bảng ST1/T100.
Nên tính theo công thức: I.64-ST1/T380:
: áp suất cần thiết khắc phục trở lực trong thiết bị,
: áp suất bổ sung ở cuối đường ống,
: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ:
Hệ số trở lực cục bộ là một yếu tố quan trọng trong hệ thống ống dẫn Hệ số này được xác định từ các thành phần như: hệ số trở lực do các van tiêu chuẩn, hệ số trở lực do đột thu, hệ số trở lực do đột mở và hệ số trở lực của trục khuỷu Những hệ số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng lưu thông của chất lỏng trong hệ thống.
Tổn thất áp suất để khắc phục trở lực của hệ thống dẫn từ nguyên liệu đầu vào thùng cao vị:
Vậy chọn bơm có áp suất toàn phần có H ≥ 13m.Theo bảng II.36-ST1/T444 chọn bơm có OB có năng suất (2-150).10 3 (m 3 /h), áp suất toàn phân tử từ 3 đến
20, số vòng quay từ 250 đến 960 vòng/phút, nhiệt độ bé hơn 35 o C, bánh guồng làm bằng thép 20X18H9T.
Năng suất 10 3 m 3 /h Áp suất toàn phần m
Số vòng quay vg/ph
Vỏ ngoài Bánh guồng Trục
Bảng 8: Các thông số của bơm.
3.2 Năng suất trên trục bơm:
- Công suất yêu cầu trên trục của bơm được xác định theo công thức:
: Áp suất toàn phần của bơm (m)
: Năng suất của bơm kg/h
: Hiệu suất toàn phần của bơm:
Hiệu suất thể tích được xác định qua hao hụt khi chuyển từ áp suất cao đến áp suất thấp Hiệu suất thủy lực tính đến ma sát và sự tạo dòng xoáy trong bơm Ngoài ra, hiệu suất cơ khí cũng được tính đến, bao gồm ma sát cơ khí ở ổ bi lót trục.
- Hiệu suất toàn phần của bơm là:
3.3 Công suất động cơ điện:
- Công suất đông cơ điện được tính theo công thức sau: II.190-STT1/T439 là hiệu suất truyền động trục, là hiệu suất truyền động cơ,
Để đảm bảo an toàn, người ta thường lựa chọn động cơ có công suất lớn hơn so với công suất tính toán, dựa vào khả năng tái của bơm để tính toán lượng dự trữ.
Trong đó : là hệ số dự trữ công suất và theo bảng II.33-STT1/T440 ta chọn = 2.
- Vậy ta chọn bơm có công suất 1 kW.
THÙNG CAO VỊ
Áp suất toàn phần là yếu tố quan trọng giúp vượt qua tất cả các sức cản thủy lực trong hệ thống, bao gồm cả ống dẫn và thiết bị, khi dòng chảy diễn ra trong điều kiện đẳng nhiệt.
- : Áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn:
Với : Khối lượng riêng của chất lỏng
: Vận tốc của lưu thể.
- : Áp suất khắc phục trở lực khi dòng chảy ổn định trong ống
: Đường kính trong tương đương của mẫu, m
- : Áp suất cần thiết để nâng cao chất lỏng lên cao và khắc phục áp suất thủy tĩnh, (N/m 2 )
Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị và áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn sẽ được xem xét trong các tình huống cần thiết Tuy nhiên, trong một số trường hợp tính toán, chúng ta có thể bỏ qua yếu tố này.
- : Áp suất cần thiết để khác phục trở lực cục bộ:
(II.56-ST1/377) Với là hệ số trở lực cục bộ.
4.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc:
Có ở nhiệt độ khối lượng riêng của dung dịch NH4NO3 10%, (I.64- ST1/T49)
: tiết diện bề mặt truyền nhiệt, m 2
: số ống truyền nhiệt trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu,
: đường kính trong của ống truyền nhiệt ,
Tốc độ dòng chảy trong ống của thiết bị gia nhiệt:
- Áp suất để khắc phục trở lực ma sát:
Chọn chiều dài ống dẫn là L = 12 m, dtd = 0,07m Chỉ số Reynold:
: độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi (nhiệt độ cuối khi gia nhiệt) có: theo bảng I.107-ST1/T100 ở 10%
Do đó chế độ chảy của hỗn hợp đầu trong ống là chế độ chảy xoáy.
Theo bảng II.15-ST1/T381, đối với ống dẫn hơi nước bão hòa và nước nóng trong điều kiện rò rỉ thấp (
