Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch Nacl,năng suất 16000 kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 10%, nồng độ sản phẩm 25%

MỤC LỤC PHẦN 1. MỞ ĐẦU * * * Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên khoa Công nghệ Hoá học trường Đại học Bách Khoa Hà nội được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá học”. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn 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 các 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, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một 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, phòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 16000 kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 10%, nồng độ sản phẩm 25%. Quá trình cô đặc Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan (không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. Đặc điểm của quá trình cô đặ là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ. Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác. Nếu hơi thứ dùng để đun nóng một thiết bị khác ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ. Cô đặc nhiều nồi Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi : Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi nay được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai sẽ được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ ba,... hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc nhiều nồi được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ của nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồi trước nên đọ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. Dung dịch NaCl NaCl (Natri clorua) là muối của axit HCl (axit clohidric) và bazơ NaOH (Natri hidroxit) còn có tên gọi quen thuộc khác là muối ăn. NaCl là muối kết tinh rắn, không màu, dễ tan trong nước, nóng chảy ở 800oC. Dung dịch NaCl có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng của nước. NaCl là chất rất cần thiết cho cuộc sống của người và động vật. Là nguyên liệu để điều chế ra NaOH, Cl2, axit HCl và nước Javen,..., được dùng phổ biến trong các ngành công nghiệp lạnh. PHẦN 2. SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT * * * Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều làm việc liên tục. Dung dịch đầu (NaCl10%) được bơm (4) đưa vào thùng cao vị (5) từ thùng chứa (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (6) vào thiết bị trao đổi nhiệt (7). Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (1). Ở nồi (1), 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 buồng đốt để đun nóng dung dịch. Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ. Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt. Dung dịch từ nồi (1) tự di chuyển sang nồi thứ hai do đó 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 của nồi sau, do đó dung dịch di vào nồi (2) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi ; kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Dung dịch sản phẩm ở nồi (2) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (11). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (2) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (thiết bị ngung tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao). Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet (10) ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi vào bơm hút chân không (12) *Chú thích: 1, 2 : nồi cô đặc 3 : thùng chứa dung dịch đầu 4, 10 : bơm 5 : thùng cao vị 6 : lưu lượng kế 7 : thiết bị trao đổi nhiệt 8 : thiết bị ngưng tụ baromet 9 : bộ phận thu hồi bọt 11 : ống baromet 12 : bơm chân không PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH * * * Các số liệu ban đầu: Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ = 16.000 kg/h Nồng độ đầu : 10% khối lượng. Nồng độ cuối 25 % khối lượng. Áp suất của hơi đốt P1 = 6 at. Áp suất của hơi ngưng tụ Png = 0,2 at. I. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống. W = Gđ =(1-xđ/xc) [kg/h] (1). W = 16.000.(1-0,1/0,25) = 9600 kg/h II. Lượng hơi thứ mỗi nồi. Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở hai nồi là như nhau. Vậy W1 = W2 = W/2 = 9600/2 = 4800 (kg/h). III. Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi. Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 là xc1. Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 là xc2. Từ (1) ta có xc1 = Gđ. Thay số ta có xc1 = 14,29% Tương tự xc2 = Gđ. Thay số ta có xc2 = 25 %. IV. Chênh lệch áp suất chung Chênh lệch áp suất chung của hệ thống Dp 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 Dp = p1 – png, at thay số ta có : Dp = 6 – 0,2 = 5,8 at V. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi a)Áp suất Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi: Dp1: Dp2 = a1:a2 = 2,4:1. Dpi = , at (2) Thay số vào (2) ta có: Dp1 = Dp. a1/(a1 +a2) = 5,8. 2,4 /(2,4+1) = 4,1 at Dp2 = Dp. a2/(a1+a2) = 5,8.1 /(2,4+1) = 1,7 at Áp suất hơi đốt từng nồi được tính: Pi = pi-1 - Dpi-1 at (3) Thay số vào (3) ta có p2 = p1- Dp1 = 6 – 4,1 = 1,9 at p1 = 6 at b) Nhiệt độ hơi đốt T (C), nhiệt lượng riêng i (J/kg), nhiệt hoá hơi r(J/kg) : Tra bảng (I-251) trong [1 - 378] theo áp suất, ta có tại p1 = 6 at ta có: T1 = 158,1 C. i1 = 2768.103 J/kg r1 = 2095.103 J/kg tại p2 = 1,9 at ta có T2 = 118 C i2 = 2709,5.103 J/kg r2 = 2212,5.103 J/kg tại png = 0,2 at ta có Tng = 59,7 C VI. Nhiệt độ t’i (oC), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi. a) Nhiệt độ Theo công thức: ti’ = Ti+1+ Di”’, C (4) Di”’ : Là tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống. Thường chọn D i”’ = 1,2 C Thay số vào công thức (4) ta có t1’ = T2 + 1,4 = 118 + 1,2 = 119,2 oC t2’ = Tng + 1,4 = 59,7 + 1,2 = 60,9 oC Áp suất, nhiệt lượng riêng, nhiệt hoá hơi của hơi thứ trong mỗi nồi Tra bảng (I-250) trong [1 –375] theo nhiệt độ Tại t1’ = 119,2 C Ta có p1’= 1,87 at i1’ = 2710,2.103 J/kg r1’ = 2209,8.103 J/kg. Tại t2’ = 60,8 C Ta có p2’= 0,212 at i2’ = 2610,1.103 J/kg r2’ = 2354,56.103 J/kg c) Ta có bảng tổng hợp số liệu 1: Nồi Hơi đốt Hơi thứ x % P At T oC i.10-3 J/kg r.10-3 J/kg P’ at t’ oC i’.10-3 J/kg r’.10-3 J/kg 1 6 158,1 2768 2095 1,98 119,2 2710,2 2209,8 14,29 2 1,9 118 2709,5 2212,5 0,212 60,9 2610,14 2354,56 25 VII. Tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 1. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao Di” : Là hiệu số nhiệt độ sôi trên mặt thoáng dung dịch và nhiệt độ sôi lớp dưới a)Áp suất trung bình ở giữa ống truyền nhiệt được xác định theo công thức [3-283] ptb = p0 + 0,5. (h1+H/2) rdd.g , N/m2 (5) p0 : Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch , N/m2 *) Nồi 1 p01 = p’1 = 1,98 at = 194238 N/m2 *) Nồi 2 p02 = p’2 = 0.212 at = 20797 N/m2 h1 :Chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch và thường chọn h1 = 0,5 m H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 5 m g : gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2 rdd : khối lượng riêng của dung dịch tại nhiệt độ sôi. Lấy gần đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch ở 25 oC Tra bảng (I-57) trong [1- 52] ta có : rdd1(25oC) = 1,10103.103 kg/m3 rdd2 (25oC) = 1,1861.103 kg/m3 Vậy : rdd1 = 1,10103.103 / 2 = 550,25 kg/m3 rdd2 = 1,1861.103 / 2 = 593,05 kg/m3 Thay số vào công thức (5) ta có : *) Nồi 1 ptb1 = p01 + 0,5. (h1+H/2) rdd1.g , N/m2 Ptb1 = 194238 + 0,5. (0,5 + 5/2). 550,52 9,81 = 202330,64 N/m2 = 2,062 at *) Nồi 2 ptb2 = p02 + 0,5. (h1+H/2) rdd2.g , N/m2 ptb2 = 20797 + 0,5. (0,5+5/2). 593,05. 9,81 = 29514,81 N/m2 = 0,32 at b) Nhiệt độ trunh bình ứng với ptb Tra bảng (I-251) trong [1- 377] theo áp suất và nồng độ ở trên ta có : *) Nồi 1 ttb1 = 120,4 0C *) Nồi 2 ttb2 = 71,7 0C Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao được xác định theo công thức : [2-60] , Di” = ttbi – t0i = ttbi – t’i , 0C (6) Thay số vào công thứ (6) ta có : *) Nồi 1 D1” = 120,4 – 119,2 = 1,2 0C *) Nồi 2 D2” = 71,7 – 60,9 = 10,8 0C *) Cho cả hệ thống = D1” + D 2” = 1,2 + 10,8 = 12 0C 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Di’. Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất [2- 59] , D’i = f i. D0i’ , 0C (7) Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất khí quyển Tra bảng (VI- 2) , [2-66] ta có : Với dung dịch NaCl thì *) Nồi 1 x1 = 14,29% thì D01’ = 3 oC *) Nồi 2 x2 = 25 % thì D02’ = 7 oC b) Hệ số hiệu chỉnh f f là hệ số hiệu chỉnh tra bảng (VI –1) trong [2- 59] theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất Theo bảng (I-197) trong [1- 272] thì : Tại p1’ = 1,98 at thì ts1= 142,9 0C Tại p2’ = 0,212 at thì ts2= 99,2 0C Vậy ta có : *) Nồi 1 f1= 1,3 *) Nồi 2 f2 = 1 c) Tổn thất nhiệt độ D’ trong mỗi nồi Thay số vào công thức (7) ta có : *) Nồi 1 D 1’ = 1,3. 3 = 3,9 0C *) Nồi 2 D 2’ = 1. 7 = 7 0C *) Cho cả hệ thống =D1’+ D 2’ = 3,9 + 7 = 10,9 0C 3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống Ở trên ta đã giả thiết D ”’ trong mỗi nồi bằng nhau và bằng 1,2 do đó cả hệ thống thì : ’’’ = 1,2 + 1,2 = 2,4 oC 4. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là = + + ’’’ = 10,9 + 12 + 2,4 = 25,3 oC VIII. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi Nhiệt độ sôi của dung dịch trong mỗi nồi [3-283] tsi = t’i + D i’ + Di” , oC (8) Thay số vào (8) ta có : *) Nồi 1 ts1 = 119,2 + 3,9 + 1,2 = 124,3 oC *) Nồi 2 ts2 = 60,9 + 7 + 10,8 = 78,7 oC b)Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi [3-282] D Ti = Ti – tsi , 0C (9) Thay số vào (9) ta có : *) Nồi 1 D T1 = 158,1 – 124,3 = 33,8 oC *) Nồi 2 D T2 = 118 – 78,7 = 39,3 oC 2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống Dtht = 33,8 + 39,3 = 73,1 oC 3. Bảng tổng hợp số liệu 2 Nồi D’ 0C D” 0C D”’ 0C DT 0C ts 0C 1 3,9 1,2 1,2 33,8 124,3 2 7 10,8 1,2 39,3 78,7 IX. Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ Wi [kg/h] 1. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 1 2 Di1 Qm1 Qm2 DCncq1 W1Cncq2 (Gđ –W1) C1ts1 W1i1’ W1t1i2 W2i2’ (Gđ –W1-W2) C2ts2 Hình 3.1 :Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống. Gđ C0ts0 2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng Nồi 1: Di1+Gđ C0tso = W1i1’ + (Gđ –W1) C1ts1 +DCncq1 +Qm1 (*) Nồi 2: W1i2 +(Gđ –W1) C1ts1 = W2i2’ +(Gđ –W1-W2) C2ts2+W1Cncq2+Qm2 W1 + W2 = W Trong đó: *) Chọn : Qm1 =0,05W1i1’ Qm2 =0,05W2i2’ *) D:Lượng hơi đốt ở nồi 1, kg/h *) Gđ : Lượng dung dịch đầu bằng 16000 kg/h *) C0,C1,C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch vào nồi 1 nồi 2 và ra khỏi nồi 2 Tra bảng (I-163) , [1-207] ta có : Với x = 10% và t = 158,1oC thì C0 = 3986 J/kg.độ Với x = 14,29% và t = 124,3 oC thì C1 = 3852,3 J/kg.độ Với x = 25% và t = 78,7 oC thì C2 = 3567 J/kg.độ *) i1, i2: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1 và nồi 2 , J/kg Theo bảng số liệu 1 thì : i1 = 2768.103 J/kg i2 = 2709,5.103 J/kg *) i1’, i2’ : Nhiệt dung riêng của hơi thứ nồi 1 và nồi 2 , J/kg Theo bảng số liệu 1 thì i’1 = 2710,2.103 J/kg i’2 = 2610,14.103 J/kg *) q1, q2 : Nhiệt độ nước ngưng nồi 1 và nồi 2 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt q1 = 158,1 oC q2 = 118 oC *) Cnc1, Cnc2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1 và nồi 2 , J/kg.độ Tra bảng (I-148) , [1-195] ta có : q1 = 158,1 oC thì Cnc1 = 4320,8 J/kg.độ q2 = 118 oC thì Cnc2 = 4244 J/kg.độ *) ts0, ts1,ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, ra nồi 1 và ra nồi 2 ts0 tra bảng (I-202) trong [1- 279] ta có ts0 = 101,78 0C Thay số liệu vào hệ phương trình (*), giải ra ta được : W1 = 4690 kg/h W2 = 4910 kg/h D = 5765 kg/h 3. Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi Sai số so với giả thiết ban đầu e1 = .100% = 2,3% e2 = .100% = 2,3% Vì sai số nhỏ hơn 5% nên giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi ban đầu là có thể chấp nhận được b) Tỉ lệ phân phối hơi thứ trong các nồi : W1/W2 = 4690/4910 = 1/1,05 4. Bảng tổng hợp số liệu 3: Nồi C J/kg.độ Cnc J/kg.độ q 0C W, kg/h Sai số e % Giả thiết Tính 1 3852,3 4320,8 158,1 4800 4690 2,3 2 3567 4244 118 4800 4910 2,3 X. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 1. Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi. [3-324] y = (10) Tra bảng (I – 57), [1-52] ta có : rdd= 1.0475.103 kg/m3 rdd= 1.1573.103 kg/m3 Tra bảng (I – 5) , Khối lượng riêng và thể tích riêng của nước ta có: ts1 = 124,3 —> rnc1 = 939,9 kg/m3 ts2 = 78,7 —> rnc2= 974,9 kg/m3 Tra bảng (I – 148) , [1-49] ta có: Cnc1 = 4251,7 J/kg độ Cnc2 = 4199,7 J/kg độ Theo bảng kết quả 3: Cdd1 = 3852,3 J/kg độ Cdd2 = 3567 J/kg độ Tra bảng hệ số dẫn nhiệt của nước và hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất [1-155] lnc1 = 68,6.10-2 W/m độ lnc2 = 67,28.10-2 W/m độ Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức [1-143] l = A.Cp.r W/m độ (11) Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng Cp1 = 3852,3 J/kg độ Cp2 = 3567 J/kg độ r: Khối lượng riêng chất lỏng (dung dịch NaCl từng nồi) rdd= 1.0475.103 kg/m3 rdd= 1.1573.103 kg/m3 A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng A = 3,58.10-8 M: Khối lượng mol từng nồi. *) Nồi 1 NNaCl = = 0,0487 M1 = NNaCl. MNaCl + N. M = 0.0487. 58,5 + 0,9513.18 = 19,37 *) Nồi 2 NNaCl = = 0,093 M2 = NNaCl. MNaCl + N. M = 0.093. 58,5 + 0,907.18 = 21,77 Thay vào công thức (11) l1 = 3,58.10-8. 3852,3.1,0475.103. = 0,658 W/m độ l2 = 3,58.10-8.3567.1,1573.103. = 0,637 W/m độ Tra bảng (I-104), [1-106] Độ nhớt của nước cao hơn 100 oC. mnc1 = 0,2234.10-3 Cp mnc2 = 0,37.10-3 Cp Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ sôi : mdd1 = 0,45.10-3 Cp mdd2 = 1,86.10-3 Cp Bảng tổng hợp số liệu 4 Nồi rdd.10-3 Kg/m3 rnc.10-3 Kg/m3 M ldd W/mđộ lnc W/mđộ mdd.103 N.s/m2 mnc103 N.s/m2 1 1,0475 0,9399 19,37 0,658 0,686 0,45 0,2234 2 1,1573 0,9749 21,77 0,637 0,6728 1,86 0,37 Thay vào công thức (10) y1 = y1 = 0,758 y2 = y2 = 0,741 2. Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt [2-3] å r = r1 + r2 + (12) r1, r2 : Nhiệt trở cặn bẩn 2 bên thành ống Tra bảng (V-1), [2-4] r1= 0,193.10-3 m2 độ/W (cặn NaCl) r2= 0,31.10-3 m2.độ/W Ống dẫn nhiệt làm bằng làm bằng thép CT3 có chiều dày 2 mm nên l = 46,5 (W/m độ) Vậy å r = (0,193 + 0,31 +).10-3 = 0,5033.10-3(m2 độ/ W) 3. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1 T2 DT2 DT1 T1 tT1 Dt0 tT2 Giả thiết rằng chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt ở nồi1là Dt11= 6,25oC và Dt12 = 7,15oC a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi được tính theo công thức : [2-28] a1i = 2,04. Ai. W/m2 độ (13) *) H là chiều cao ống truyền nhiệt, H = 5 m *) r là ẩn nhiệt ngưng tra theo nhiệt độ hơi đốt r1 = 2095.103 J/kg r2 = 2212,5.103 J/kg *) Nhiệt độ màng nước ngưng [2- 29] tmi = Ti = , oC (13) do đó: tm1 = 158,1 - = 155 o C tm2 = 118 - = 114,4 o C *) Hệ số A tra theo nhiệt độ màng nước ngưng Tra bảng [2-28] —> A1=196,3 A2=185,2 *) Nồi 1: a11= 2,04. 196,3.= 6444 W/ m2. độ b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ. [3-234] q1i = a1i.Dt1i , W/m2 (14) thay số : q11 = a11.Dt11 = 6444.6,25 = 40275 W/m2 c) Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi [3-234] a2i = 45,3..Dt2i2,33.Yi , W/m2.độ (15) *) Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch [3-210] Dt2i = DTi - Dt1i - DtTi = DTi - Dt1i - q1i. år , oC (16) Thay số vào (16) ta có: Dt21= 33,8 – 6,25 – 40275.0,5033.10-3 = 7,55 oC *) p: áp suất làm việc bằng áp suất hơi thứ. *) Thay số vào công thức (15) ta có: a21 = 45,3.. 7,552,33. 0,758 = 5257,3 W/m2. độ d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch q21=a21.Dt21 , W/m2 Thay số: q21= 5257,3. 7,55 = 39692 W/m2 e) So sánh q11 và q21 ta thấy : = .100% = 1,46% < 5% nên chấp nhận được 4. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2 a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi Theo công thức (13) ta có: a12 = 2,04. 185,2.= 5959 W/ m2. độ b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ Theo công thức (14) ta có : q12 = a12.Dt12 = 5959.7,15 = 42607 W/m2 c) Hệ số cấp nhiệt a22 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi. Theo công thức (16) ta có: Dt22 = 39,3 – 7,15 – 42607.0,5033.10-3 = 10,95 oC Theo công thức (15) ta có: a22 = 45,3.. 10,952,33. 0,741 = 3990,7 W/m2. độ d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch Theo công thức (14) q22 = 3990,7.10,95 = 43698 W/m2 e) So sánh q12 và q22 = .100% = 2,5% < 5% nên chấp nhận được 4) Bảng tổng hợp số liệu 5 Nồi Dt1i oC tm oC A a1 W/m2độ q1 W/m2 1 6,25 155 196,3 6444 40275 2 7,15 114,4 185,2 5959 42607 5) Bảng tổng hợp số liệu 6 Nồi Dt2 oC Y a2 W/m2độ q2 W/m2 1 7,55 0,758 5257,3 39692 2 10,95 0,741 3990,7 43689 XI. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi. 1. Hệ số truyền nhiệt Ki Theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau. [2-4] Ki= qtbi/DTi W/m2 độ (17) a) Nhiệt tải riêng trung bình *) Nồi 1 qtb1 = = 39983,5 W/m2 *) Nồi 2 qtb2 = = 43148 W/m2 b) Hệ số truyền nhiệt Thay số vào công thức (17) ta có: K1= = 1183 W/m2.độ K2= = 1098 W/m2.độ 2. Lượng nhiệt tiêu tốn. Nồi1: Q1 = = = 2729319,4 W Nồi2: Q2 = = = 3017604,2 W XII. Nhiệt độ hữu ích từng nồi 1. Lập tỉ số: Li = Nồi 1: L1 = = = 2307 Nồi 2: L2 = = = 2748,3 2. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi Theo công thức trong [3-331] ta có: DTi= (18) Thay số vào công thức (18) ta có: *) Nồi 1 DT = (33,8+39,3). = 33,4 *) Nồi 2 DT= (33,8+39,3). = 39,7 XIII. So sánh DTi* và DTi 1. Nồi 1 Sai số: T1== 1,2% 2. Nồi 2 Sai số : T2== 1% Do sai số nhỏ hơn 5% nên ta chấp nhận giả thiết phân bố áp suất ban đầu 3. Bảng số liệu 7. Nồi 1 Ki W/m2độ Qi W/m2 DTi oC DT*i oC Sai số % 1 1183 2729319,4 33,8 33,4 1,2 2 1098 3017604,2 39,3 39,7 1 XIV. Tính bề mặt truyền nhiệt F Theo phương pháp bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau. [3-89] Fi= , m2 (19) Thay số vào công thức (19) ta có F1 = = = 69 m2 F2 = = = 69 m2 Vậy F1 = F2 PHẦN 4. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ (Thiết bị ngưng tụ Baromet) * * * I.Hệ thống thiết bị Chọn thiết bị ngưng tụ Barômet (thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao) Chú thích: Thân Thiết bị thu hồi bọt Ống baromet Tấm ngăn hình bán nguyệt Ống dẫn khí không ngưng Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) II. Tính toán Các số liệu cần biết : Hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc W = W2 = 4910 kg/h Áp suất ở thiết bị ngưng tụ Png = 0,2 at Các thông số vật lí của hơi thứ ra khỏi hệ thống p’2 = 0,212 at t2’ = 60,9 oC x2 = 25% i2’ = 2610,14.103 J/kg r2’ = 2354,56.103 J/kg r2’ = 0,131 kg/m3 1. Tính lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ [2-84] Gn = kg/h (20) Nhiệt lượng riêng của hơi ngưng i = 2609.103 kg/h Nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối của nước lạnh Chọn td = 25 oC và tc = 50oC Nhiệt dung riêng trung bình của nước, chọn ở 35oC Cn = 4,1809.103 J/kg.độ Theo công thức (20) thì : Gn = = 112739 kg/h 2. Đường kính trong của thiết bị [2-78] D = m (21) Tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ. Do là hơi bão hoà nên wh = 35 m/s b. Khối lượng riêng của hơi rh = 0,129 kg/m3 Thay vào (21) ta có D = = 0,62 m = 620 mm Chọn theo quy chuẩn D = 800 mm 3. Kích thước tấm ngăn Tấm ngăn có dạng hình viên phân Chiều rộng tấm ngăn [2-79] b = Dtr/2 +50 = 800/2 +50 = 450 mm Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ. Đường kính lỗ trên tấm ngăn dlỗ = 5 mm c. Chiều dày tấm ngăn chọn d = 4 mm d. Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ [2-79] f = m2 (22) *) Khi chiều cao gờ tấm ngăn bằng 40mm thì tốc độ tia nước wc = 0,62 m/s *) Thay số vào (22) ta được : f = 0,05 m2 Bước lỗ t Lỗ xếp theo hình lục giác đều t = mm (23) Chọn f/ftb =1 (đối với nước làm lạnh bẩn) Thay vào (23) ta có : t = 6,37 mm 4. Chiều cao thiết bị ngưng tụ Xác định mức độ đun nóng nước [ 2- 80 ] b = tbh ứng với png ® tbh = 59,7 oC Vậy b = = 0,72 oC Quy chuẩn b = 0,774 Từ mức độ đun nóng nước vừa quy chuẩn ta tra số bậc, số ngăn và khoảng cách giữa các ngăn. Bảng số liệu Số bậc Số ngăn Khoảng cách giữa các ngăn mm Thời gian rơi qua một bậc s Mức độ đun nóng Đường kính của tia nước mm 4 8 400 0,41 0,774 2 Chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ H = 8.400 = 3200 mm Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đó khoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên, khoảng 50mm cho mỗi ngăn. Khi đó chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ là H’. Khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 400mm. Ta chọn khoảng cách giữa 2 ngăn cuối cuối cùng là 450 mm, do đó : H’= 450+400+350+300+250+200+150+100 = 2200 mm 5. Kích thước ống Baromet a. Đường kính trong của ống Baromet Theo công thức [2-80], ta có : d = m (24) : Tốc độ hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống Baromet, chọn = 0,5 m/s Thay số vào công thức (24) ta có : d = = 0,29 m b. Xác định chiều cao ống Baromet Theo công thức [2-81] ta có : H = h1+h2+0,5 m (25) Trong đó : h1: là chiều cao cột nước trong ống Baromet, được tính h1 = 10,33. m (26) pck: là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ pck = 760 - 735,6.png = 760-735,6.0,2 = 612,88 mmHg Thay số vào công thức (26) ta có h1 = 8,33 m h2 : là chiều cao cột nước trong ống Baromet để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống h2 = (2,5+) , m (27) : là hệ số ma sát khi nước chảy trong ống, theo Braziut = (28) Với Re= (29) Ta có : = 0,5 m/s d = 0,29 m : khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình,= 1000 kg/m3 : Độ nhớt của nước ở nhệt độ nhiệt độ trung bình = 0,6947.10-3 N.s/m2 Thay số vào công thức (29) Re= = 208,7.103 Do đó: = = 0,0148 Vậy ta có : h2 = (2,5+) Theo (25) ta có : H = 8,33 + (2,5 + 0.0148) + 0,5 m Hay H = 8,87 m Chọn theo quy chuẩn H = 10,5 m h1 = 8,33 m ; h2 = 2,17 m Trong đó 0,5m là chiều cao dự trữ để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường ống dẫn hơi khi áp suất khí quyển tăng 6. Lượng hơi và khí không ngưng Lượng không khí cần hút [2-77] Gkk = 0,000025(W2+Gn)+ 0,01.W2 kg/h (30) = 0,000025.(4910+112739) +0,01.4910 Gkk = 52,04 kg/h Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ [2-77] Vkk= m3/s (31) Nhiệt độ không khí : tkk = td + 4 + 0,1.(tc-td) 0C (32) = 25 + 4 + 0,1.(50-25) = 31,5 0C ph là áp suất riêng phần của hơi trong hỗn hợp Tra ph theo tkk ở bảng (I-250), ta có : ph = 0,0472 at Thay số vào công thức (31) ta có : Vkk = = 0,085 m3/s 7. Tính toán bơm chân không Theo công thức [1-465] thì công suất của bơm được tính : Nb= kW (33) m : Chỉ số đa biến. Thường chọn m = 1,25 pk = png - ph = 1,403.104 N/m2 p1 = png = 1,962.104 N/m2 p2 là áp suất khí quyển bằng 9,81.104 N/m2 : Hiệu suất bơm, lấy bằng 0,65 Thay số vào công thức (33) ta ncó : Nb = = 3,48 kW Chọn bơm theo qui chuẩn.Chọn bơm chân không vòng nước PMK Nhãn Năng suất,m3/phút ở độ chân không tính theo% so với áp suất khí quyển Số vòng quay Công suất yêu cầu trên trục bơm KW Công suất động cơ điện kW Lưu lượng nước m3/h Kích thước Khối lượng dài rộng cao 0 40 60 80 90 PMK2 4,2 2,4 1,55 0,6 0,1 1450 6,84 10 0,02 705 416 390 109 PHẦN 5. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ * * * A.Buồng đốt I. Xác định số ống trong buồng đốt n = ống (34) Trong đó : F : Tổng diện tích bề mặt đốt F = 69 m2 d : Đường kính của ống truyền nhiệt , m Vì 1>2 nên d = dtr = (38 - 2.2).10-3 = 34.10-3 m l : chiều dài ống tham gia vào quá trình truyền nhiệt l = 5 m Thay số vào công thức (34) ta có : n = = 129 ống Qui chuẩn n = 187 ống .Theo bảng (V-11) trong [2-48] ta có bảng số liệu sau: Số hình 6 cạnh Sắp xếp ống theo hình 6 cạnh Số ống trên đường xuyên tâm 6 cạnh Tổng số ống không kề cac ống trong cac hình viên phân Số ống trong các hình viên phân Tổng ống trong tất cả các hình viên phân Tổng ống thiết bị Dãy 1 Dãy2 Dãy 3 7 15 169 3 - - 18 187 II. Xác định đường kính trong buồng đốt Đối với thiết bị phòng đốt ngoài [2 – 45 ] Dtr = t(b-1) + 4.d m (35) b : số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh, b = 15 ống d : Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = 38.10-3 m t : Bước ống t = 1,5d = 0,057 m Thay số vào công thức (35) Ta có : Dtr = 0,06(15-1) + 4.0,038 = 0,992 m Qui chuẩn ta có : Dtr = 1m = 1000 mm III. Chiều dày phòng đốt Đối với thiết bị vỏ mỏng [2 –350] S = +C , m (36) 1. Kiểu buồng đốt Thiết bị làm việc ở điều kiện áp suất thấp. Chọn nhiệt độ thành thiết bị theo nhiẹt độ môi trường đối với thiết bị đốt nóng có cách nhiệt bên ngoài. Thân hình trụ hàn, làm việc chịu áp suất trong, kiếu hàm giáp mối hai bên, hàn tay bằng hồ quang điện.Vật liệu chế tạo thép CT3 (thép các bon 0,03 %) 2. Tính chất cơ học của vật liệu Bảng XII-4 trong [2-309] Giới hạn bền chảy c = 240.106 N/m2 Giới hạn bền kéo k = 380.106 N/m2 *. Ứng suất cho phép của thép CT3 Theo công thức trong [2-356] Ta có: Giới hạn kéo : [k] = . N/m2 (37) Giới hạn chảy: [k] = . N/m2 (38) Trong đó: nk, nc : là hệ số an toàn theo giới hạn kéo và giới hạn chảy của thépCT3. Tra bảng (XII-3) trong [2-356] ta có : nk = 2,6 ; nc = 1,5 : là hệ số điều chỉnh. Tra bảng (XIII-2) trong [2-356] ta có =1 (ta chọn nhóm thiết bị 2 trong điều kiện sản xuất các chi tiết, bộ phận không bị đốt nóng hay được cánh ly với nguồn trực tiếp) Thay số vào công thức (37) & (38) ta có : [k] =.1,0 = 146.106 N/m2 [] =.1,0 = 160.106 N/m2 Ứng suất cho phép của vật liệu là: b = min{[],[]} = 146.106 N/m2 3. Các số liệu Dtr : đường kính trong của buồng đốt , Dt r= 1 m pb : là áp suất làm việc trong môi trường khí pb = p1 = 6 at = 6.9,81.104 N/m2 = 58,86.104 N/m2 : hệ số bền hàn của thành trụ theo phương dọc. Nếu hàn bằng tay với Dtr>700 mm, thép cacbon CT3 thì = 0,95 C : hệ số bổ sung ăn mòn C1, bào mòn C2, dung sai âm về chiều dày C3 (để chống ăn mòn và để gia công) , mm C = C1+C2+C3 Thường chọn C = 3 mm Xét . = .0,95 = 235,6 > 50 nên ta có thể bỏ qua pb trong công thức tính S 4. Chiều dày phòng đốt Thay số vào (36) ta được : S = 5,1.103 m = 5,1 mm Qui chuẩn S = 6 mm 5. Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử. Theo bảng (XIII – 5) . Định mức áp suất thuỷ lực khi thử thiết bị làm việc ở áp suất p p0 = 1,5 pb = 1,5.58,86.104 = 88,29.104 N/m2 Theo công thức trong [2-365] ta có : =< (39) Vậy ta chọn chiều dày phòng đốt S = 6 mm là phù hợp IV. Tính chiều dày lưới đỡ ống Chiều dày lưới đỡ ống phải thoả mãn những điều kiện sau : .Giữ chặt ống sau khi nung, bền. .Giữ nguyên hình dạng của mạng khi khoan khi nung cũng như sau khi nung ống .Bền dưới tác dụng của cac loại ứng suất .Chịu ăn mòn 1. Để đáp ứng yêu cầu 1 Chiều dày S’ tối thiểu của mạng ống là: S’ = Chọn S’ = 10 mm 2.Để đáp ứng yêu cầu 4 S = S’+ C = 10 + 3 = 13 mm 3. Để đáp ứng yêu cầu 2 Cần đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi ống là : f = S. (t-dn) ³ fmin = 4,4.dn +12 do: f = 13(60 – 38) = 286 mm2 fmin = 4,4. 38 + 12 = 179,2 mm2 Vậy f > fmin 4. Để đáp ứng yêu cầu 3 Ta tiến hành kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn Điều kiện : 300 A B D E C t su’ = £ 1,4.sb = su (40) Nhìn vào hình ta có AB = t.cos(300) = 60.cos(300) = 51,96 mm AD = t +Ed = t(1 + sin(300)) = 90 mm l = = = 70,98 mm pb : áp suất làm việc, pb = 6 at dn : đường kính ngoài ống truyền nhiệt bằng 38 mm Vậy thay số vào công thức (40) ta có : su’ = = 7,8.106 N/m2 su = 1,4.sb = 1,4.146.106 = 204,4.106 N/m2 Vậy s’u < su thảo mãn điều kiện nên ta chọn chiều dày mạng ống là 13 mm V. Chiều dày đáy lồi phòng đốt Chọn đáy elip có gờ, làm bằng vật liệu thép CT3. Chiều dày đáy lồi phòng đốt được tính theo công thức trong [2-372] S=.+C,m (41) Điều kiện k/0,6 £ Dtr/2hb £ 2,5 Trong đó : *) hb : chiều cao phần lồi của đáy hb³ = 200 mm . Chọn hb = 250 mm *) k là hằng số bền của đáy được tính theo công thức trong [2-372] k = 1- Đáy có một của cho dung dịch ra hình tròn có đường kính d Theo công thức [2-69] d = , m (42) V là lưu lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 (m3/h) V = w: Vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống. Với dung dịch ít nhớt (NaCl) thì chọn w = 2 (m/s) Thay số vào công thức (42) ta có : d = = 0,044 m Qui chuẩn d = 100 mm *) Vậy k = 1- = 0,9 *) C: Là hệ số bổ sung C = 3 mm *) Hệ số hình học = = 2 *) P : Áp suất hơi ra khỏi phòng đốt. P = 1,98 at = 19,4.104 N/m2 *) Ta có : k/0,6 = 0,9/0,6 = 1,5 Vậy k/0,6 £ Dtr/2hb £2,5 *) Xét [ sk].k.jh/p = 146.1060,9.0,95 /19,4.104 = 643,5 > 30 Vậy biểu thức (41) trở thành S = S = 8,2.10-4 + C, m Vì S-C <10 mm nên thêm 2 mm cho đại lượng bổ sung C C = 3+2 = 5 mm. Do đó S = 8,2.10-4 + 5.10-3 = 5,82.10-3 m Qui chuẩn S = 6.10-3 m = 6 mm *) Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử lực.Theo công thức trong [2-386] ta có : s = (43). Thay số ta có: s = 179,2.106 (N/m2) < 200.103 Vậy chiều dày đáy lồi phòng đốt là S = 6 mm VI.Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép bích đáy Theo bảng (XIII-27) trong [2-417] Pb.10-6 N/m2 Dtr mm Kích thước nối Kiểu b._.