Đồ án Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaN03 tăng suất 5000(Kg/h ) , nồng độ dung dịch đầu 12%,nồng độ sản phẩm yêu cầu là 40%

I. Mở đầu Việc thiết kế hệ thống thiết bị phục vụ cho một nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ sư máy hoá chất . Xuất phát từ yêu cầu đó , Bộ môn đã giao cho sinh viên thực hiện đồ án môn học.Việc làm đồ án là một công việc hết sức cần thiết , giúp cho mỗi sinh viên từng bước tiếp cận thưc tiển trên cơ sở lý thuyết về qúa trình và thiết bị công nghệ hoá học và các môn học khác mà sinh viên đã học trong các học kỳ trước . Qua việc làm đồ án sinh viên sẽ rèn luyện kỹ năng tra cứu các sổ tay chuyên ngành , tài liệu tham khảo , vận dụng đúng và hợp lý những vấn đề đã học vào giải quyết một vấn đề cụ thể.Đồng thời viêc tự mình hoàn thành đồ án cũng nâng cao khả năng tính toán,trình bày nội dung bản thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Trong đồ án này , yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaN03 tăng suất 5000(Kg/h ) , nồng độ dung dịch đầu 12%,nồng độ sản phẩm yêu cầu là 40%. 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 đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi , do đó nồng độ của chất hoà tan sẽ tăng lên . Quá trình cô đặc khác quá trình chưng cất ở chỗ : trong qúa trình chưng cất cả 2 cấu tử đều bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi phụ, hơi phụ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đốt nóng một thiết bị khác, trong trường hợp này ta gọi hơi phụ là hơi thứ. Cô đặc nhiều nồi: Cô dặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt,do đó có ý nghĩa về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi ; nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được đưa vào nồi 2, hơi thứ của nồi 2 được đưa vào nồi 3...hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần từ nồi trước sang nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến. Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau do chênh lẹch áp suất giữa các mồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại lớn hơn nồi trước nên độ nhớt cua dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. Đề tài thiết kế : Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại phòng đốt trong dung dịch NaN03 Nồng độ đầu của dung dịch : xd = 12 % Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 40 % áp suất hơi đốt nồi 1 : P = 4 (at) Độ chân không thiết bị ngưng tụ : Pck = 0,8 (at) Với năng suất : 5000 (kg/h) Chiều cao ống gia nhiệt : H = 4 (m) II.Sơ đồ - mô tả dây truyền sản xuất Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều làm việc liên tục: Dung dịch đầu (NaN03 12%) 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 sổiôì đi vào nồi (1). ở nồi (1),dung dịch tiêp 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 nóngdung dịch và 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 lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa 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 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc gtữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước.Nhiệt độ của nồi trước lơn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn 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. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần phải tiêu tốn thêm một lượng hơi để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều ding dịch trước khi đưa vào nồi đầu cần được đun nong sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ. III- Tính toán thiết bị chính Các số liệu ban đầu Năng suất tính theo dung dịch đầu : Gđ = 5000 (kg/h) Nồng độ đầu của dung dịch : xđ = 12 % Nồng độ cuối của dung dịch : xc = 40 % áp suất hơi đốt : p1 = 4 (at) áp suất hơi ngưng tụ : png= 1- Pck = 1-0,8 = 0,2 (at) III.1- Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống ( W (kg/h)). Công thức: [3-317] (Kg/h ) III.2- Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi : Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : W1 (Kg/h ) Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 : W2 (Kg/h ) Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là W1:W2 = 1:1,2 Ta có : W = W1+W2 (Kg/h ) W2 = 1909 (Kg/h ) III.3- Nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi : Với nồi 1: [3-317] Với nồi 2 : [3-317 ] III.4- Chênh lệch áp suất chung của hệ thống (Dp (at)) Dp = p1 png = 4 - 0,2 = 3,8 (at) III.5- Xác định áp suất , nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi : Dpi : chênh lệch áp suất trong nồi thứ i (at) Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là : p1 :p2 = 1 :1 . Ta có : Hiệu số áp suất nồi 1 : p1 = = 1,9 (at) Hiệu số áp suất nồi 2 : p2 = = = 1,9 (at) áp suất hơi đốt nồi 1 : p1 = p = 4 (at) áp suất hơi đốt nồi 2 : p2 = p1 –Dp1 = 4 – 1,9 = 2,1 (at) Tra bảng I- 251 : Tính chất lý hoá của hơi nước bão hoà phụ thuộc áp suất trang [1-378] với p1= 4 (at) t1 = 142,9 0C i1 = 2744.103 J/kg r1 = 2141. 103 J/kg với p2= 1,24 (at) t2 = 120,9 0C i2 = 2712.103 J/kg r2 = 2204. 103 J/kg png = 0,2 (at) tng = 59,7 0C III.6- Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi : Chọn tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống cho nồi 1: 1”’ =1 o C Nhiệt độ hơi thứ thoát ra ở nồi 1: t’1 = t2 + D1”’ = 120,9 +1 =121,9 o C Chọn tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống cho nồi 2 : 2”’ = 1 oC Nhiệt độ hơi thứ ở nồi 2 : t’2 =tng + 2”’= 59,7 + 1 = 60,7 o C Tra bảng I.250 Tính chất lý hoá của hơi nước bão hoà phụ thuộc nhiệt độ [1-312] t1’ = 121,9 oC p1’ = 2,155 ( at) i1’ = 2713,66. 103 (J/kg) r1’ = 2202,06.103 ( J/kg) t2’ =60,7 o C p2’ = 0,21 ( at) i2’ = 2608,8.103 (J/kg) r2’ = 2357.103 (J/kg) Bảng tổng hợp số liệu: Nồi Hơi đốt Hơi thứ x % p (at) t (oC) i. 10-3 (J/kg) r.10-3 (J/kg) p’ (at) t’ (o C) i’. 10-3 (J/kg) r’.10-3 (J/kg) 1 4 142,9 2744 2141 2,155 121,9 2713 2202 17,6 2 2,1 120,9 2712 2204, 0,21 60,7 2609 2357 40 III.7- Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi : Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh tăng cao i” p: áp suất ở giữa ống truyền nhiệt : [3-283] p tb1= po + .(ho+ ). r1.g (N/m2) (5) p01 : áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch p01 = 2,155 (at) p02 = 0,21 (at) h0 : chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch , lấy ho =1 m h : chiều cao ống truyền nhiệt ; h= 4 m r: khối lượng riêng dung dịch ở nhiệt độ sôi (kg/m3) r1= ; (r0 : khối lượng riêng của dung dịch NaN03 ở 20 oC có cùng nồng độ) g : gia tốc trọng trường ; g= 9,81 m/s2 Tra bảng I-59: r1 = 1,126.103 (kg/m3) r2 =1,3175.103 (kg/m3) Thay số : ptb1= 2,324 (at) ptb2= 0,4 (at) Tra bảng I-251 Tính chất hóa lý của hơi nước bão hoà phụ thuộc vào áp suất ta có ttb1= 120 o C ttb2 = 75,1 P01 = 2,155 có t01 =119,8 o C P02 = 0,21 có t02 = 60,7 o C 1”= 120 – 119,8 =0,2 o C 2”= 75,1 – 60,7 = 14,4 o C Tổn thất nhiệt độ do nồng độ : 1’ (o C) Do nhiệt độ sôi của dung môi nhỏ hơn nhiệt độ sôi của dung dịch áp dụng công thức gần đúng của Tysencô : [2-59] p1’ = 16,2.. kq1’ (o C) (7) Trong đó : Ts1 : nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (o K) r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi ở cùng áp suất (J/kg) kq1’ : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở nồng độ x=17,47% và áp suất khí quyển Ts1 =119,8+ 273 = 392,8 oK r1 = 2202,06.103 (J/kg) Tra bảng VI .2 [2-58] Dkq1’ = 2,24 oC Thay vào ta có : D1’ = = 2,54 (o C) Tương tự , đối với nồi 2 Ts2 =60,7+ 273 = 333,7 oK r2 = 2357.103 (J/kg) Dkq2’ = 6,8 oC Thay vào ta có : D2’ = = 5,2 (o C) Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống : Theo [2-68] : D =D’i+Di” + Di”’ Di’ = 2,54 + 5,2 = 7,74 (o C) Di” = 0,2 + 14,4 = 14,6 (o C) Di”’ = 1 + 1 = 2 (o C) Thay số: D = 7,74 + 14,6 + 2 = 24,34 (o C). III.8- Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống : Dthi1 = t1 - ts1 = t1 - t1’- D1’ - D1” (o C) ts1 : nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 1 ts1 = 121,9 + 2,54 + 0,2 = 124,64 o C ts2 = 60,7 + 5,2 + 14,4 = 80,3 o C Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi : DT1 =142,9 - 124,64 = 18,26 (o C) DT2 =120,9 - 80,3 = 40,6 Nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống : Dthi =18,26 + 40,6 = 58,86 (o C) Bảng tổng hợp số liệu số 2: Nồi D’i (o C) D”i (o C) D”’i (o C) Dti (o C) tsi (o C) 1 2,54 0,2 1 18,26 124,64 2 5,2 14,4 1 40,6 80,3 III.9- Tính lượng hơi đốt D , lượng hơi thứ Wi cho từng nồi : Sơ đồ cân bằng vật chất và nhiệt lượng : Trong đó : Gđ : Lượng dung dịch đầu đưa vào cô đặc (kg/h) D : Lượng hơi đốt ở nồi 1 (kg/h) C0,C1, C2 : Nhiệt dung riêng của dung dịch cho vào nồi 1,nồi 2 và ra khỏi nồi 2 (J/kg.độ) i 1 , i2 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 (J/kg) i 1’ ,i2’ : Nhiệt lượng riêng của hơi thứ đi khỏi nồi 1, nồi 2 (J/kg) Cnc1 ,Cnc2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1,nồi 2 (J/kg.độ) t s0,ts1 ,ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu , dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2 (oC) 1,2 : Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 (oC) Qm1,Qm2 : Nhiệt mất mát ở nồi 1 , nồi 2 , lấy Qm = 0,05 . Q (J) W1, W2 : Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1 ,nồi 2 (kg/h) Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng : Nồi 1: Lượng nhiệt mang vào : Do dung dịch đầu : Gđ . C0.ts0 (J) Do hơi đốt : D.i1 (J) Lượng nhiệt mang ra : Do sản phẩm ra : (Gđ - W1) . C1.ts1 (J) Do hơi thứ : W1. i’1 (J) Do nước ngưng : D.Cnc1. 1 (J) Do tổn thất : Qm1 = 0,05. D.(i1 – Cnc1. 1) (J) Nồi 2 : Lượng nhiệt mang vào : Do hơi thứ : W1.i2 (J) Do dung dịch từ nồi 1: (Gđ - W1).C1.ts1 (J) Lượng nhiệt mang ra : Do hơi thứ : W2.i’2 (J) Do dung dịch ra : (Gđ - W1 -W2).C2.ts2 (J) Do nước ngưng : W1.Cnc2.2 (J) Do tổn thất : Qm2 = 0,05. W1(i2 - Cnc2.2) (J) Ta có hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng cho 2 nồi : Di1 + Gđ.C0.ts0 = W1.i’1 + (Gđ-W1).C1.ts1 + D.Cnc1.1 + 0,05.D(i1 - Cnc11) W1.i2+ (Gđ - W1)C1.ts1 = = W2.i2’ +(Gđ - W1 - W2) C2.ts2 + W1.Cnc2.2 + 0,05.W1.(i2 -Cnc2.2) W1 + W2 = W hay: D = W2 = W = W1 + W2 Ta có : i1 = 2744. 103 (J/Kg) i2 = 2712. 103 (J/Kg) i1’ = 2713,66. 103 (J/Kg) i2’ = 2609. 103 (J/Kg) tso = 101,5 o C ts1 = 124,64 ts2 = 80,3 o C 1 = 142.9 o C 2 = 120,9 o C Theo [1-195] Cnc1 = 4285,6 (J/kg.độ) Cnc2 = 4239,1 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch NaN03 vào nồi 1 (xd=12%) Đối với dung dịch loãng (x<20%) được tính : [1-180] Co = 4186(1- x) , (J/kg.độ) Co = 4186.(1- 0,12) = 3683,7 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch NaN03 ở nồi 1 (x1=17,6%) C1 = 4186.(1- 0,176) = 3349,26 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch NH4NO3 ở nồi 2 (x2= 40%) Đối với dung dịch đặc (x> 20 %) được tính : [1-181] C = C .x + 4186.(1 - x) (J/kg.độ) Trong đó : C là nhiệt dung riêng của chất hoà tan khan (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học : [1-180] M.C = n1.c1+ n2. c2 +...+ nn. cn M : khối lượng mol của hợp chất C : nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học (J/kg.độ) n1,n2,n3 : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất c1, c2,c3 : nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng (J/kg.độ) Dung dịch NaN03 : n1 =1, n2 =1 , n3 = 3 Tra bảng I.141 [1-180] Na : c1 = 26000 (J/kg nguyên tử .độ) N : c2 = 26000 (J/kg nguyên tử .độ) O : c3 = 16800 (J/kg nguyên tử .độ) MNaN03 = 85 Thay số : C = = 1204,7 (J/kg.độ) Vậy : C2 = 4186.(1 – 0,4) + 1024,71.0,4 = 2993,48 (J/kg . độ) Thay số vào hệ phương trình trên ,giải hệ ta có : D = 1907 (kg/h) W1 = 1564 (kg/h) W2 = 1936 (kg/h) Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi : W1 :W2 = 1564 : 1936 = 1: 1,23 Kiểm tra sai số: = .100% 1,7 % <5% = .100% 1,4% < 5% Vậy giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở các nồi chấp nhận được. Bảng số liệu thứ 3 : Nồi C J/kg.độ Cnc J/kg.độ ,o C W ( kg/h) % Giả thiết Tính 1 3449,26 4294,25 142,9 1591 1564 1,7 2 2993,48 4351,44 120,9 1909 1936 1,4 III.10- Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình : Điều kiện làm việc:  Phòng đốt trong thẳng đứng ,hơi ngưng bên  ngoài ống, màng nước ngưng chảy dòng Nồi 1: 11 = 2,04. A. , (W/độ) Chọn chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt : Dt11 = 1,8 o C Dt12 = 5,38 0C Đối với nước , hệ số A có trị số phụ thuộc vào nhiệt độ màng (tm) : [4-12] tm = = ti , (o C) tm1 = 142,9 - = 142 o C tm2 = 120,9- = 118,21 0C Tra hệ số A theo nhiệt độ màng [2-29] tm1 = 141 oC A1 = 194,3 tm2 = 102,9 0C A2 = 187,19 H : chiều cao ống truyền nhiệt : H = 4 m r1 : ẩn nhiệt hoá hơi (tra theo nhiệt độ hơi đốt) : r1 = 2141.103 J/kg r2 =2204,3.103 J/kg Ta có hệ số cấp nhiệt 11 khi ngưng tụ hơi : 11 = 2,04.194,3. = 9256 (W/m2.độ) 12 = 2,04.180,04. = 6831,5 (W/m2.độ) Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ : q11 = 1i.t1i , (W/m2) q11 = a11.Dt12 = 9256.1,8 =16660 (W /m2) q12 = a12.Dt12 = 8268,01.4,4 = 36753 (W /m2) 3.Tính hệ số cấp nhiệt 21 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi : Dung dịch khi sôi ở chế độ sủi bọt , có đối lưu tự nhiên. Hệ số cấp nhiệt xác định theo công thức : [3-234] 2i = 45,3.pi0,5.t2i2,33.i , (W/m2độ) Trong đó : pi : áp suất hơi thứ ở nồi i p1 = 2,155 (at) p2 = 0,2 (at) t2i: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch (o C) t2i = tT2i – tddi = ti - t1i – D tTi , (oC) D tTi : hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt : = q1i. , (oC) : tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt , được tính : [2-3] = r1 + r2 + (m2.độ/W) r1, r2 : nhiệt trở của cặn bẩn ở 2 phía của thành ống Bảng V.1 [2-4] Cặn bẩn : r1= 0,387.10-3 (m2.độ/W) Hơi nước (lẫn dầu nhờn): r2 = 0,232.10-3 (m2.độ/W) Chọn ống truyền nhiệt có kích thước : : bề dày ống truyền nhiệt : = 2.10-3 (m) : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (thép CT3) ; = 46 (W/m.độ) Thay số ta có : = 0,387.10-3 + 0,232.10-3 + = 0,6625.10-3 (m2.độ/W) Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch : t21 = t1 - t11 – q11. = 18,26 – 1,8 – 16660. 0,6625.10-3 = 5,42 (oC) Dt22 = D t2 – D t12 – q12. = 40,6 – 5,38 - 36753. 0,6625.10-3 = 10,87 (0C) Hệ số hiệu chỉnh : [3-224] = ( Chỉ số dd : dung dịch ; chỉ số nc : nước ) C :nhiệt dung riêng (J/kg.độ) : hệ số dẫn nhiệt (W/m độ) : khối lượng riêng (kg/m3) : độ nhớt (Cp) , , , C tra theo nhiệt độ sôi của dung dịch. Điều kiện làm việc : ts1 = 124,64 oC ; ts2 = 80,3 oC ; Tra bảng I.5: Khối lượng riêng của nước trong khoảng từ –100C đến 2500C [1-13] Nồi 1: ts1 = 124,64 oC => rnc1 = 939,6 (kg/m3) Nồi 2: ts2 = 80,3 oC => rnc2 = 971,63 (kg/m3) Tra bảng I.29: Khối lượng riêng của dung dịch NaN03 Nồi 1 : rdd1 = 1126 (kg/m3) Nồi 2 : rdd2 = 1317,5 (kg/m3) Tra bảng I.148 : Nhiệt dung riêng của nước và hơi nước ở nhiệt độ sôi [1-195] Cnc1 = 4254 (J/kg.độ) Cnc2 = 4189,4 (J/kg.độ) Theo bảng kết quả 3 : Cdd1 = 3449,26 (J/kg.độ) Cdd2 = 2993,48 (J/kg.độ) Tra bảng I.120: Hệ số dẫn nhiệt nước và hơi nước phụ thuộc nhiệt độ và áp suất [1- 155] lnc1 = 0,68 (W/m.độ) lnc2 = 0,675 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính : [1-143] dd = . Cp.. , (W/m.độ) Cp : nhiệt dung đẳng áp của hỗn hợp (J/kg.độ) : khối lượng riêng của hỗn hợp (kg/m3) M : khối lượng mol của hỗn hợp e : hệ số tỷ lệ , phụ thuộc tính chất chất lỏng,đối với chất lỏng kết hợp (nước) e = 3,58.10-8 Khối lượng mol của dung dịch trong nồi 1 (x = 17,7%): M1 = NNaN03 .MNaN03 + NH2O .MH2O NNaN03  = 0,0432 (mol) M1 = 0,0432.80 + (1-0,0432).18 = 20,89 Khối lượng mol của dung dịch trong nồi 2 : M2 = NNaN03 .MNaN03 + NH2O .MH2O NNH4NO3  = 0,133 (mol) M1 = 0,133.85 + (1-0,133).18 = 26,91 Thay vào ta có: dd1 = 3,58.10-8.3349,26.1126. = 0,5252 , (W/m.độ) l dd2 = 3,58.10-8.2993,48 .1317,5. = 0,516 , (W/m.độ) Tra bảng I.104 :Độ nhớt của nước cao hơn 100 0C : [1-106] nc1 =0,222 (Cp) Tra bảng I.102 :Độ nhớt của nước phụ thuộc nhiệt độ : [1-106] mnc1 =0,3545 (Cp) Độ nhớt của dung dịch được tính theo công thức Pavolov : [1-94] = K = const Trong đó : t1 , t2 : nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt 1 , 2 , : nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có cùng độ nhớt 1 , 2 Với dung dịch NaN03 17,6 % ở nhiệt độ sôi [1-113] Tại t1 = 10 oC : 1 = 1,5276 (Cp) (Cp = 10-3.N.s/m2 ) Tại t2 = 20 oC : 2 = 1,1512 (Cp) Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước [1-105] 1 = 1,5276 (Cp) ứng với 1 = 4,82 o C 2 = 1,1512 (Cp) ứng với 2 = 14,6 o C Tại ts1 =124,64 oC dung dịch có độ nhớt là m dd1 , tương ứng nhiệt độ của nước ở nhiệt độ t .Ta có: = Rút ra được : t = 116,9 oC Tra bảng : Độ nhớt của nước : [1-105] dd1 = 0,239 (Cp) Tương tự dd2 = 0,6 (Cp) Hệ số hiệu chỉnh y : 1 = 2 = Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đến chất lỏng sôi : 2i = 45,3.pi0,5.t2i2,33.i Nồi 1 : = 45,3.2,155.4,3. 0,866 = 2957,3 , (W/m2.độ) Nồi 2 : 22 = 45,3.0,21 0,5.26,962,33.0,612 = 3298 , (W/m2.độ) Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch : Theo công thức [3-234] : q2i = a2i.Dt2i (W/m) q21 = 2957,3 .5,42 = 16028 (W/m) q22 = 3298 . 10,87 = 35851,3 (W/m) Sai số : q1 = = 3,7 % < 5 % q2 = = 2,4 % < 5 % Vậy ta chấp nhận giả thiết Dt11 = 1,8 oC Dt12 = 5,38 0C Các bảng số liệu thứ 4,5,6: Nồi dd (kg/m3) nc (kg/m3) Cnc J/kg.độ Cdd (J/kg.độ) dd W/m.độ nc W/mđộ dd (Cp) nc (Cp) 1 1126 939,6 4254 3449,26 0,5252 0,68 0,239 0,222 2 1317,5 971,63 4189, 2993,48 0,516 0,675 0,6 0,354 Nồi t1i (oC) tmi (oC) Ai 1i (W/m2) q1i (W/m2) M 1 1,8 142 194,3 9256 16660 20,89 2 5,38 118,21 187,19 6831,5 36753 26,91 Nồi (W/m2.độ) q2i (W/m2) 1 5,42 0,866 2957,3 16028 2 10,87 0,612 3298 35851,3 III.11- Xác định hệ số truyền nhiệt : Tính theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau thì hệ số truyền nhiệt được suy ra từ công thức V.6 : [2-4] K = , (W/m2.độ) ( qtb - nhiệt tải riêng trung bình ; t - hiệu số nhiệt độ hữu ích ) q = = = 16344 , (W/m2) q = = = 36302 , (W/m2) Thay số vào công thức ta có : K1 = = 895,07 , (W/m2.độ) K2 = = 894,13 , (W/m2.độ) Lượng nhiệt tiêu tốn : Nồi 1 : Q1 = = = 956672,73 , (W) Nồi 2 : Q2= Nhưng do dung dịch vào trong thiết bị ở trạng thái quá nhiệt (tđ > ts) làm lượng nhiệt tiêu tốn giảm xuống do có một phần dung dịch tự bốc hơi: Q2 = Q2 = = 1121569,3 (W) III.12- Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích : Lập tỷ số cho từng nồi : Nồi 1 : = = 1068,82 Nồi 2 : = = 1254,36 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức : [3-331] = (o C) Nồi 1 : = = 27,07 o C Nồi 2 : = = 31,78 o C Bảng số liệu số 7 : Nồi Ki (W/m2.độ) Qi (W/m2) (o C) 1 895,07 956672,73 27,07 2 894,13 1121569,3 31,78 III.14- Tính bề mặt truyền nhiệt F: theo phương thức bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau : [3-289] F = , (m2) Nồi 1 : F1 = = = 39,38 (m2) Nồi 2 : F2 = = = 39,47 (m2) Vậy chọn theo quy chuẩn : F1 = F2 = 40 (m2) IV - Tính thiết bị phụ IV.1- Hệ thống thiết bị ngưng tụ barômet : Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao Thân Thiết bị thu hồi bọt ống barômet Tấm ngăn hình bán nguyệt ống dẫn khí không ngưng Nguyên lý làm việc của thiết bị baromet : Hơi từ nồi cô đặc đi vào thiết bị ngưng tụ từ phía dưới lên , nước làm lạnh chảy từ trên xuống , chảy tràn qua gờ của tấm ngăn và đồng thời chui qua các lỗ của tấm ngăn . Hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet và đi xuống bể chứa. Khí không ngưng đi lên qua ống (5)sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống baromet khí không ngưng (hoặc không khí )được hút ra qua phía trên bằng bơm chân không đi ra ngoài . IV.2- Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ : Thiết bị ngưng tụ Barômét Các số liệu: Lượng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc : W2 =1936 (kg/h) áp suất ở thiết bị ngưng tụ : png = 0,2 (at) Tra bảng I.252 (1-316) Với png = 0,2 (at) ta được: tng = 59,7 0C, Các thông số vật lý của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hệ thống : p2’= 0,21 (at) ; t2’ = 60,7 oC ; i2’ = 2609.103 (J/kg) ; r2’ = 2357.103 (J/kg) ; ’ = 0,1344 (kg/m3) Tính lượng nước lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ : Theo công thức [2-84] : Gn = .W2 , (kg/h) Trong đó : i : nhiệt lượng riêng của hơi ngưng [1-251] : ing = 2609.103 (J/kg) tđ , tc : nhiệt độ đầu , cuối của nước lạnh, chọn tđ = 20oC ; tc = 50oC Cnc : nhiệt dung riêng trung bình của nước , ở nhiệt độ trung bình ttb = o C Theo [I’-165] : Cnc = 4180,9 (J/kg.độ) Thay số ta được : Gn = = 37644 (kg/h) Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ : Theo công thức [2-84] : Dtr = 0,0188. , (m) Trong đó : h : khối lượng riêng của hơi [I-177] : h = 0,1161 (kg/m3) h : tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ: với áp suất ngưng tụ png = 0,18 (at) lấy h = 35 (kg/s) Thay số vào công thức ta được : Dtr = = 0,381 (m) Quy chuẩn Dtr = 0,5 (m) = 500 (mm) Kích thước tấm ngăn : Chiều rộng tấm ngăn có dạng hình viên phân có thể xác định như sau : [2-85] b = + 50 (mm) D - đường kính trong của thiết bị ngưng tụ Thay số : b = + 50 = 300 ( mm) Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ .Chọn nước làm lạnh là nước bẩn ,đường kính lỗ là 5 mm , chiều dày tấm ngăn = 4 mm Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ : Theo công thức [2-85]: f = (m2) Trong đó : c : tốc độ tia nước , lấy = 0,62 m/s khi chiều cao của gờ tấm ngăn là 40 (mm) Thay số : f = = 0,0168 (m2) Bước lỗ (t) : Lỗ xếp theo hình lục giác đều , bước lỗ được tính theo công thức [2-85] : t = 0,866.dlỗ.() + dlỗ (mm) Với: dlỗ : đường kính của lỗ (mm) : tỉ số giữa tổng diện tích thiết diện các lỗ với diện tích thiết diện của thiết bị ngưng tụ. Chọn = 0,1 (đối với nước bẩn) Thay số ta có : t = 0,866.5.(0,1)0,5 + 5 = 6,37 (mm) Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ : Mức độ đun nóng nước được tính : [2-85] = Trong đó : tđ ,tc : nhiệt độ đầu và cuối của nước tưới vào thiết bị ngưng tụ (oC) tbh : nhiệt độ của hơi bão hòa ngưng tụ ,ứng với png= 0,18 (at) có tbh = 59,7 oC Thay số ta được : = = 0,756 Quy chuẩn theo bảng VI.7 [2-86] Ta lấy = 0,774 Bảng số liệu : Bảng 8 : Số bậc Số ngăn Khoảng cách giữa các ngăn Thời gian rơi qua 1 bậc (s) Mức độ đun nóng Đường kính của tia nước (mm) 4 8 400 0,41 0,774 2 Ta có chiều cao của thiết bị ngưng tụ : H = 8.400 = 3200(mm) Thực tế , khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần , do đó ta lấy khoảng cách giữa các ngăn giảm dần từ dưới lên trên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn . Khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 400 mm , ta chọn khoảng cách giữa 2 ngăn dưới cùng là 450 mm . Vậy chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ là H’ Do đó: H’ = 600+550+500+450+400+350+300+250= 3400 (mm) Kích thước ống barômet : Đường kính trong ống Baromet ,theo [2-86] : d = (m) là tốc độ của hỗn hợp hơi nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống barômet Chọn = 0,5 (m/s) Thay số vào công thức trên ta được : d = = 0,167 (m) Chiều cao ống barômet theo [2-86] : H = h1+h2+0,5 (m) Trong đó : h1 : chiều cao cột nước trong ống baromet (cân bằng với hiệu số áp suất trong thiết bị ngưng tụ và áp suất khí quyển) tính theo công thức: h1 = 10,33. (m) pck là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ : pck = 760 – 735,6.png pck = 760 – 735,6.0,2 = 612,88 (mm Hg) Vậy : h1 = 10,33. = 8,33 (m) h2 là chiều cao cột nước trong ống Baromet để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống, tính theo [2-87] : h2 = .(2,5+) (m) (37”) : là hệ số ma sát khi nước chảy trong ống, theo Braziut : = Với Re = trong đó : -vận tốc dòng : = 0,5 m/s l~d -kích thước hình học : d = 0,167(m) tb -Khối lượng riêng của lỏng tại nhiệt độ trung bình [1-12] : tb = 1000 (kg/m3) m - độ nhớt của nước tại nhiệt độ trung bình [1-94] : m = 0,6947.10-3 (Ns/m2) Thay số được : Re = = 120,19.103 Do đó hệ số ma sát : = = 0,0169 Vậy : h2 = . = 0,032 + 0,00128.H Từ trên ta có : H = 8,264 + 0,032 + 0,00128.H + 0,5 Rút ra : H = 8,8 (m) ; chọn theo quy chuẩn H = 10,5 m Vậy H = 10,5 (m) ; h1 = 8,53 (m) ; h2 =1,97 (m) Lượng hơi và khí không ngưng : Lượng không khí cần hút ,theo [2-84] : Gkk = 0,000025.W2+0,000025.Gn+0,01.W2 , (kg/h) Thay số vào công thức trên : Gkk = 0,000025.1936 + 0,000025.37644 + 0,01.1936 Gkk = 20,35 (kg/h) Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ [2-84] : Vkk = , (m3/s) Với nhiệt độ không khí tkk tính theo công thức cho thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô [2-84] : tkk = tđ + 4 + 0,1.( tc - tđ ) tkk = 20 + 4 + 0,1.(50 - 20) = 27 (o C) ph là áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp (N/m2) lấy theo tkk (1-312): ph = 0,0367 (at) png = 0,2 (at) Thay số vào công thức ta có : Vkk = = 0,03 , (m3/s) IV.4 Những kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ barômet Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ : Dtr = 500 mm Chiều dày của thành thiết bị : S = 5 mm Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị : a = 1300 mm Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy : P = 1200 mm Bề rộng của tấm ngăn : b = 300 mm Đường kính thiết bị thu hồi : D1 = 400 mm Chiều cao của thiết bị thu hồi : h1 = 1440 mm Đường kính của thiết bị thu hồi : D2 = --- mm Chiều cao của thiết bị thu hồi : h2 = --- mm Khoảng cách giữa các ngăn : a1 = 220 mm a2 = 260 mm a3 = 320 mm a4 = 360 mm a5 = 390 mm Đường kính các cửa ra vào : Hơi vào : d1 = 350 mm Nước vào : d2 = 100 mm Hỗn hợp khí và hơi ra : d3 = 80 mm Nối với ống barômet : d4 = 125 mm Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi : d5 = 80 mm Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi : d6 = 50 mm Nối từ thiết bị thu hồi đến ống barômet : d7 = 50 mm ống thông khí : d8 = --- mm V- Tính toán cơ khí (Thiết bị cô đặc) Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm (thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm,các ống được xắp xếp theo hình lục giác ) Chọn ống truyền nhiệt như trên d= 38H2 (mm) V.A- Buồng đốt : Số ống truyền nhiệt: n = , (ống) Trong đó : F : tổng bề mặt đốt ; F = 40 (m2) Do chọn tiết diện ống tuần hoàn trung tâm bằng 18% tổng tiết diện của các ống truyền nhiệt, nên diện tích bố trí ống truyền nhiệt phải giảm xuống 18%. d : đường kính trong của ống truyền nhiệt ,(m) : Vì > nên lấy d =dtr = 0,038 - 2.0,002 = 0,034 (m) l : chiều cao ống truyền nhiệt , l = 4 (m) Thay số ta có : n = = 76,8 (ống) Chọn quy chuẩn n theo bảng V.11 : [2-48] Bảng 9 : Số hình sáu cạnh Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh Tổng số ống không kề các ống trong các hình viên phân Số ống trong các hình viên phân Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân Tổng số ống của thiếtbị ở dãy thứ nhất ở dãy thứ hai ở dãy thứ ba 5 11 91 - - - - 91 Đường kính trong của buồng đốt : [2-74] Dtr = , (m) Trong đó : b = . Lấy b = 1,4 C :là hệ số . Chọn C = 0,9 l: chiều dài ống truyền nhiệt : l = 4(m) dth : đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm (m) sin; = sin600 (xếp theo hình lục giác) dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m) : dn = 0.038 (m) t: bước ống truyền nhiệt: t = 1,4.0,038 = 0,0532 (m) Quy chuẩn t = 0,06 (m) F : tổng bề mặt đốt theo quy chuẩn ,(m2) : F = n.d.p.l =91.3,14.0,038.4 = 43,43 (m2) Tổng bề mặt tiết diện ống truyền nhiệt : , (m) (m2) Chọn bề mặt tiết diện ống tuần hoàn trung tâm bằng 18% tổng bề mặt tiết diện ống truyền nhiệt : S’ = 18%.S = 0,18.0,1 = 0,018 (m2) Vậy: dth = (m) Quy chuẩn : dth = 0,2 (m) Thay số ta được: Dtr == 0,62 (m) Chọn D theo quy chuẩn: [2-359] D= 0,7 (m) Chiều dày phòng đốt : Thiết bị làm việc ở điều kiện áp suất thấp (< 1,6.106 N/m2) Nhiệt độ thành thiết bị lấy bằng nhiệt độ môi trường đối với thiết bị không bị đốt nóng và có cách nhiệt bên ngoài . Thân hình trụ hàn ,làm việc chịu áp suất trong , kiểu hàn giáp mối hai bên (bằng hồ quang điện). Thiết bị không sản xuất và chứa các chất dễ cháy , nổ , độc ở áp suất thường Vậy thiết bị thiết kế thuộc nhóm II , loại II .Vật liệu chế tạo là thép CT3 Ta có tính chất cơ học của vật liệu (thép tấm) : [2-309] Giới hạn bền kéo : = 380.106 (N/m2) Giới hạn bền chảy : = 240.106 (N/m2) ứng suất cho phép của thép CT3: [2-355] Theo giới hạn chảy : [] = (N/m2) Theo giới hạn kéo : [] = (N/m2) Trong đó : nc , nk : hệ số an toàn bền theo giới hạn chảy , giới hạn kéo của thép CT3 Tra bảng XIII.3 : [2-356] nk = 2,6 ; nc = 1,5 : hệ số điều chỉnh ; tra bảng XIII.2 : [2-356] = 1,0 Ta có ứng suất cho phép của thép CT3là : Theo giới hạn chảy : [] = (N/m2) Theo giới hạn kéo : [] = (N/m2) ứng suất cho phép cuả vật liệu : = Min = 146.106 (N/m2) Đối với thiết bị vỏ mỏng : Chiều dày phòng đốt xác định : [2-360] S = , (m) Trong đó : D : đường kính trong phòng đốt ; D= 0,7 (m) : ứng suất cho phép của vật liệu , = 146.106 (N/m2) : hệ số bền hàn của thanh trụ theo phương dọc , ta chọn hàn bằng tay, với D³700 mm , thép CT3 chọn = 0,95. C là tổng các hệ số: hệ số bổ sung ăn mòn (C1), bào mòn (C2) và dung sai âm về chiều dày (C3) (để chống ăn mòn khi gia công) Theo công thức [2-353] : C = C1 + C2 +C3 , (mm) Chọn C ở môi trường ăn mòn : C = 3 (mm) p : áp suất bên trong thiết bị , p = p1 = 4 at hay p = 4.9,81.104 = 39,24.104 (N/m2) Vì : = nên có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số của công thức tính chiều dày trên và khi đó chiều dày phòng đốt là: S = , (m) (m) Quy chuẩn theo (2-364): S = 5 (mm) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử : Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử po : (2-365) < , (N/m2) áp suất thử tính theo bảng XIII.5 : (2-358) p0 = 1,5.p = 1,5.3,924.105 = 5,886.105 (N/m2) Thay số : (N/m2) Ta thấy : Như vậy ta chọn chiều dày phòng đốt là S = 5 mm . Tính vỉ ống. áp dụng công thức tính chiều dày cho vỉ ống bằng thép X18H26b Ct là hệ số : Ct = p : áp suất trong thiết bị ( phòng đốt) . P = 3,924.105 (N/ m2 ) Ev : là mô đun đàn hồi của vỏ ống ở 142,9 oC. Eo : là mô đun đàn hồi của vĩ ống ở nhiệt độ làm việc. Do chọn cùng một vật liệu nhiệt độ chênh lệch nhau không đáng kể Ev = Eo . No : tổng số ống = 91 ống. So : chiều dày ống 0,002 m. Sv : chiều dày vỏ 0,005 m. do : đường kính ống do = 0,038 m. D : đường kính ngoài của vỏ D = 0,710 m. Dt : đường kính trong thiết bị Dt = 0,7 m A = Ct = Vậy S’ = =1 (cm ) Điều kiện S’min > Thay số vào ta có S’min > = 15 ( mm) Để thõa mãn điều kiện trên S’ = 2 cm. 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 XIII.47 [2-385] : S = ,(*) (m) Điều kiện : Trong đó : D : đường kính trong buồng đốt , Dtr = 0,7 (m) jh : hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm , với vật liệu thép CT3 có jh = 0,95 hb : chiều cao phần lồi của đáy , từ ta có : hb ; chọn hb = 0,175 (m) = 175 (mm) k : hệ số bền của đáy , tính theo XIII.48 [2-385] k = 1 - d : Đường kính lỗ , tính theo đáy buồng đốt có cửa tháo dung dịch: d = , (m) : vận tốc thích hợp của chất lỏng ít nhớt , = 2 (m/s). V : lưu lượng theo thể tích , được tính như sau : V = = (m3/s) Ta có : d = = 0,0232 (m) Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [2-412] d = 25 (mm) = 0,025 (m) Ta có : k = 1 - = 0,964 Đại lượng bổ xung C = 3 (mm) : hệ số hình học , = = 1,75 < 2 Ta thấy : áp suất hơi ra khỏỉ phòng đốt p = 2,155 .9,81.104 = 0,214.106 (N/m2) Ta thấy : >30 nên có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số trong công thức (*)và khi đó chiều dày đáy lồi phòng đốt được tính như sau: S = (m) Thay số ta có : S = + C S = 5,89.10-4 + C (m) Do S – C < 10 (mm) , nên ta phải thêm 2 (mm) nữa cho đại lượng bổ xung C : C = 3+2 = 5 (mm) Do đó : S = 5,89.10-4 + 5.10-3 = 5,59.10-3 (mm) Quy chuẩn : S = 6 (mm) = 0,006 (m) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thuỷ lực :[2-399] < , (N/m2) po =1,5.ph = 1,5. 2,155.9,81.104 = 0,317.106 (N/m2) Ta có = 0,273.106 (N/m2) (N/m2) thoả mãn điều kiện ứng suất thuỷ lực. Kết luận : Chiều dày của đáy nồi phòng đốt là S = 6 (mm) Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép bích đáy (đối với buồng đốt): Tra bảng XIII- 27 Bích liền bằng thép để nối thiết bị : [2-423] Bảng 10 : pb.10-6 (N/m2) D (mm) Kích thước nối D (mm) Db (mm) D1 (mm) D0 mm) Bulông 1 db(mm) Z (cái) h (mm) 0,3 700 830 780 750 711 M20 24 22 V.B- Buồng bốc hơi: Có vai trò tạo khoảng không gian bốc hơi và khả năng thu hồi bọt. Thể tích phòng bốc hơi : Theo công thức:[2-71] V = , (m3) Trong đó : W : lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị , W = 1564 (kg/h) : khối lượng riêng của hơi thứ , áp suất hơi thứ p = 2,155 (at) = 1,186 (kg/m3) U: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gia hơi : [2-72] U= f.U Với ph = 1 (at) có U= 1600 (m3/m3.h) f : hệ số hiệu chỉnh xác định theo đồ thị VI-3 , [2-72] ứng với ph = 2,155 (at) có f = 0,9 Vậy U= 0,95.1600 = 1520 (m3/m3.h) Thay số vào công thức trên ta có : V = = 0,867 (m3) Chiều cao phòng bốc hơi : Theo công thức: [2-72] H = , (m) Trong đó : D : đường kính trong buồng bốc , (m) Chọn Dtrbb= 0.8 (m) Thay số vào ta có : (m) Để đảm bảo không gian bốc hơi và dao động áp suất khi làm việc ; ta lấy H = 2 (m) . Thân phòng bốc hình trụ được hàn tay bằng hồ quang điện,kiểu hàn giáp mối hai bên, làm việc chịu áp suất trong. Thiết bị thiết kế thuộc nhóm 2 , loại II (không sản xuất và chứa các chất dễ cháy, nổ ,độc ở áp suất thường) . Vật liệu chế tạo : thép CT3. Chiều dày phòng bốc: [2-360] S = , (m) Trong đó : D : đường kính trong , D= 0,8 (m) : ứng suất cho phép của vật liệu , = 146.106 (N/m2) : hệ số bền hàn của thanh trụ theo phương dọc , ta chọn hàn bằng tay , với D>700 mm , thép CT3 ta có = 0,95 C : hệ số bổ sung ,chọn C = 3 (mm) = 3.10-3 (m). p : áp suất làm việc trong buồng bốc (áp suất hơi thứ) ta có : p = 2,155.9,81.104 = 0,2114.106 (N/m2) Vì : = >> 5 nên có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số của công thức tính S . Khi đó chiều dày phòng bốc là: S = (m) Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [2–364]: S = 4 (mm) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thuỷ lực: [2-365] áp suất thử tính toán p0 được tính : p0 = 1,5.p = 1,5.0,2114.106 = 0,3171.106 (N/m2) Thay số vào công thức: (N/m2) (N/m2) Vậy chiều dày phòng bốc S = 4(mm) Chiều dày nắp buồng bốc : Ta chọn nắp elip có gờ , vật liệu thép CT3. Theo công thức XIII-47 : [2-385] S = , (m) Điều kiện : Trong đó : D : đường kính trong buồng bốc , D = 0,8 (m) hb : chiều cao phần lồi cuả nắp .Theo bảng XIII.10 : [2-382] với Dtr =0,8 (m) hb = 200 (m m) : hệ số bền hàn cuả mối hàn hướng tâm , = 0,95 . k : hệ số bền của nắp : [2-385] k = 1 - d : đường kính ống thoát hơi thứ được tính : d = , (m) : vận tốc thích hợp của hơi nước bão hoà , = 40 (m/s). V : lưu lượng hơi thứ được tính như sau : V = = ,(m3) Thay số : d = = 0,108 (m) Quy chuẩn theo bảng XIII-26 : [2-415] d = 125(mm) Ta có : k = 1 - = 0,843 C : hệ số bổ sung , C =3 (mm) : hệ số hình học , = = 2 p : áp suất hơi ra khỏi buồng bốc , p = 0,2114.106 (N/m2) = = 1,405 <2 Thoả mãn điều kiện Mặt khác : nên có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số trong công XIII .47 . Khi đó chiều dày nắp buồng bốc tính như sau : S = , (m) S = S = 0,76.10-3 + 3.10-3 (m) Do S – C < 10 (mm) , nên ta phải thêm 2 (mm) nữa cho đại lượng bổ xung C : C = 3+2 = 5 (mm) S = 5,76 (mm) Quy chuẩn S = 6 (mm) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thuỷ lực : Theo công thức số XIII-49 : [2-385] = (N/m2) p0 : áp suất thử thuỷ lực p0 = 1,5.p =1,5.0,2114.106 =0,3171.106 (N/m2) Thay số ta có: = = 159,7.106 < = Ta thấy: : thoả mãn điều kiện ứng suất thuỷ lực Vậy chiều dày nắp buồng bốc là : S = 6 (mm). Tra bích để lắp nắp và thân buồng bốc Tra bảng XIII- 27 : [2 – 423] Bảng 11: pb.10-6 (N/m2) D (mm) Kích thước nối D (mm) Db (mm) D1 (mm) D0 (mm) Bulông 1 db (mm) Z(cái) h(mm) 0,3 800 930 880 850 811 M20 24 22 V.C Tính và chọn tai treo : Tính khối lượng mỗi nồi khi thử thuỷ lực : (N) Trong đó : G : khối lượng nồi không (N) G : khối lượng nước được đổ đầy trong nồi (N) Tính G: *Khối lượng đáy buồng đốt và nắp buồng bốc : Tra bảng XIII.11 Chiều dày và khối lượng của đáy & nắp elip có gờ. [2-384] : Với đáy buồng đốt: D = 700 (mm), Dn = 712(mm) và S = 6 (mm), h =175 ( m) ta được m1 = 28 (kg) Với nắp buồng bốc: D = 800 (mm), Dn = 808 (mm) và S = 4 (mm), h = 200(mm) ta được m2 = 24,2 (kg) Vậy khối lượng đáy buồng đốt và lắp buồng bốc là: m1 = 28+24,2 = 52,2 (kg) *Khối lượng thân buồng đốt : m3 = .V (kg) Trong đó : : khối lượng riêng của thép C , = 7850 (kg/m3) V : thể tích thân buồng đốt , V = H. (m3) H : chiều cao buồng đốt , H = 4 (m) D : đường kính trong buồng đốt , D = 0,7(m) Dn : đường kính ngoài buồng đốt , Dn = D + 2.S S : chiều dày phòng đốt , S = 0,005 (m) Dn = 0.7+2.0,005 = 0,71 (m) Vậy V = 4.3,14.(0,712 – 0,72) = 0,0442 ( m3) Ta có : m3 = 7850. 0,0442 = 347,55 (kg) *Khối lượng thân buồng bốc : m4 = .V (kg) Trong đó : : khối lượng riêng của thép CT3 , = 7850 (kg/m3) V : thể tích thân buồng bốc , V = h. (m3) = h.0,785 (m3 ) h : chiều cao buồng bốc , h = 2(m) D: đường kính trong buồng bốc , D = 0,8 (m) Dn : đường kính ngoài buồng bốc , Dn = D + 2.S S : chiều dày phòng bốc , S = 0,004 (m) Dn= 0,8+2.0,004 = 0,808 (m) Thay vào ta có : V = 2.0,785.( 0,8082- 0,82) = 0,02 (m3) m4 = 7850. 0,02 = 158,5 (kg) *Khối lượng 2 bích ghép nắp và thân buồng bốc : m5 = 2. .V (kg) Trong đó : : khối lượng riêng kim loại đen dùng làm bích, = 8500 (kg/m3) V = h. (m3) Theo bảng số liệu 11: V = 0,025.0,785.(0,9302- 0,8112- 0,022.24) = 3,877.10-3 (m3) Vậy : m5 = 2.8500. 3,877.10-3 = 65,9 (kg) *Khối lượng 4 bích ghép thân buồng đốt với đáy và phần nón cụt nối giữa thân buồng đốt và thân buồng bốc : m6 = 2. .V (kg) Trong đó : : khối lượng riêng kim loại đen , = 8500 (kg/m3) V = h. (m3) Theo bảng 10 : V = 0,022.0,785.(0,832-0,7112- 24.0,022) = 3.10-3 (m3) Vậy m6 = 2.8500.3.10-3 =51 (kg) *Khối lượng 2 lưới đỡ ống : m7 = 2..V (kg) = 5,6.103 (m3) m7 = 2.8500.5,6.103 = 96 ( kg) *Khối lượng các ống truyền nhiệt : m8 = .V (kg) Trong đó : : khối lượng riêng của thép C , = 7850 (kg/m3) V = h. (m3) h : chiều cao ống truyền nhiệt , h =4(m) dn : đường kính ngoài ống truyền nhiệt , dn = 0,038 (m) d: đường kính trong ống truyền nhiệt , dtr = 0,034(m) n : số ống truyền nhiệt , n = 91 (ống) Thay vào ta có : V = 4.0,785.91.(0,0382-0,0342) = 0,082 (m3) Vậy m8 = 7850. 0,082 = 646 (kg) *Khối lượng phần nón cụt nối thân buồng đốt và thân buồng bốc: m9 = .V (kg) Trong đó : : khối lượng riêng thép CT3 = 7850 (kg/m3) V = h. (m3) D : đường kính trong phần nón cụt: D = (Dtrbđ +Dtrbb)/2 (m) Dtr = (0,7+0,8)/2 = 0,75 (m) Dn : đường kính ngoài phần nón cụt nối: Dn = (Dnbb + Dnbđ)/2 Dn = (0,708 + 0,81)/2 =0,759 (m) h : chiều cao phần nón cụt , chọn h = 0,5 (m) Thay vào ta có : V = 0,5.0,785.(0,7592-0,752) = 5,33.10-3 (m3) m9 = 7850. 0.0507 = 41,84 (kg) Tổng khối lượng nồi khi chưa tính bu lông , đai ốc : Gnk = g. (N) Trong đó : g : gia tốc trọng trường , g = 9,81 (m/s2) = 1459 (kg) Vậy : Gnk = 9,81. 1459 = 14312,8 (N) Tính G: Thể tích không gian trong nồi : V = (m3) Trong đó : hb : chiều cao buồng bốc , hb = 2 (m) D: đường kính trong buồng bốc , D = 0,8 (m) hđ : chiều cao buồng đốt , hđ = 4 (m) hnc : chiều cao phần nón cụt nối , hn = 0,5 (m) D: đường kính trong buồng đốt , D = 0,7 (m) Dtrtb : đường kính trong trung bình của phần nón cụt nối, Dtrtb = 0,75 (m) Thay vào ta có : V = 0,785.(0,82.2 + 0,72.4 + 0,752.0,5) = 2,76 (m3) *Khối lượng nước chứa đầy trong nồi : Gnđ = g..V = 9,81.1000.2,76 = 27116,6 (N) *Khối lượng nồi khi làm việc G = Gnk + Gnđ = 14312,8 + 27116,6 = 41429,4 (N) Ta chọn số tai treo là 4 , khi đó tải trọng một tai treo phải chịu là : G = = 10357,35 (N) Chọn tai treo : tra bảng XIII-36 tai treo thiết bị thẳng đứng : [II-438] Tải trọng cho phép trên 1 tai treo G.10-4 (N/m2) 2,5 Bề mặt đỡ F.104 (m2) 173 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10-6 (N/m2) 1,45 L mm 150 B 120 B1 130 H 215 S 8 l 60 a 20 d 30 Khối lượng 1 tai treo (kg) 3,48 Tính bề dày lớp bảo ôn Bề dày của lớp cách nhiệt bọc ngoài thiết bị trong điều kiện cấp nhiệt ra không khí chuyển động tự do, nhiệt độ môi trường xung quanh khoảng 20oC có thể tính theo công thức sau : d = 2,8 (mm) Trong đó : d2 : đường kính ngoài thiết bị , d2 = 700 (mm) l : hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt . Chọn chất cách nhiệt bằng len dạ có l = 0,0525 ( W/m.độ ) t2 : nhiệt độ mặt ngoài thiết bị chưa kể lớp cách nhiệt . t2 = 142,9 oC . q1 : nhiệt tổn thất tính theo một mét chiều dài thiết bị. q1 chọn theo bảng V.7 ( II-42 ) : q1=347 W/m Thay số vào công thức d =2,8 = 13,5 (mm) Chọn d = 30 (mm) Vậy chiều dày lớp bảo ôn là 3 cm Tổng Kết thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại phòng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm Năng suất 5000 kg/h Nồng độ dung dịch NaN03 đầu 12 % cuối 40 Lượng hơi đốt vào nồi 1 1907 kg/h Lượng hơi thứ bốc ra nồi 1 1564 nồi 2 1936 Nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1 124,64 o C nồi 2 80,3 Hệ số truyền nhiệt nồi 1 895,07 W/m2,độ nồi 2 894,13 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 58,85 o C Bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi 43,43 m2 Cấu tạo thiết bị : Buồng đốt : Đường kính trong : 700 mm Chiều cao : 4000 mm Chiều dày : 5 mm ống truyền nhiệt : 38x2 mm ống tuần hoàn trung tâm : 200x4 mm Buồng bốc hơi : Đường kính trong : 800 mm Chiều cao : 2000 mm Chiều dày : 4 mm Đánh giá về thiết bị và hệ thống : Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm có ưu điểm là cấu tạo đơn giản dễ sửa chữa và làm sạch nhưng nhược điểm là tốc độ tuần hoàn giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng cho nên thiết bị này thường có tốc độ tuần hoàn nhỏ . Khi năng suất thiết bị lớn có thể thay ống tuần hoàn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn . Như đã nói ở phần đầu hệ thống cô đặc này có một số ưu điểm làm cho nó được dùng nhiều hơn cả đó là: dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi ,nhiệt đô sôi của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1)đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi .Kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này tạo ra quá trình tự bốc hơi .Nhưng nhược điểm là dung dịch đầu vào cầm phải được đun nóng đến nhiệt độ sôi (do đó phải tốn một năng lượng để đun nóng) ,tiếp nữa là theo chiều làm việc nhiệt độ nồi sau thấp hơn nồi trước nhưng nồng độ lại lớn hơn làm độ nhớt dung dịch tăng nhanh dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm . Hệ thống này nếu làm việc với dung dịch có khả năng kết lớn tinh thì dễ bị tắc ống do dung dịch phải đi lầ lượt qua các nồi trong khi nồng độ tăng dần .Với trường hợp này ta có thể bố trí hệ thống làm việc song song sản phẩm sẽ được lấy ngay ra đồng thời ở từng nồi . Kết luận Kính thưa các thầy cô! Do thời gian làm đồ án còn nhiều hạn hẹp, cùng với kiến thức còn nhiều hạn chế nên đồ án của em còn nhiều thiếu sót không tránh khỏi. Em mong các thầy cô chỉ bảo tận tình, giúp em sửa chữa các sai sót ấy. Em xin chân thành cảm ơn ! Tài liệu tham khảo [I] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất-Tập 1 Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật-1978 [II] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất-Tập 2 Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật-1999 Tính toán máy và thiết bị hoá chât - Nguyễn Minh Tuyển Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật-1984 Máy và thiết bị sản xuất hoá chất Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật-1974 1 N = 1 kg.m/s2 1 N.m = 1J = 1W.s = 0,2388 cal 1 cal = 4,1868 J 1 N,m/s = 1W 1 N.s/m2 = 10 P = 1000 cP 1 at = 9,81.104 N/m2 mục lục I. Mở đầu 1 II. Sơ đồ - mô tả dây truyền sản xuất 3 III. Tính toán thiết bị chính 3 III.1. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W (kg/h)) 3 III.2. Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi 3 III.3. Nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi 4 III.4. Chênh lệch áp suất chung của hệ thống (Dp (at)) 4 III.5. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 4 III.6 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi 5 III.8. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 7 III.9. Tính lượng hơi đốt D, lượng hơi thứ W, cho từng nói 8 III.10. Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình 12 III.11. Xác định hệ số truyền nhiệt 17 III.12. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích 18 III.14. Tính bề mặt truyền nhiệt F 19 IV. Tính thiết bị phụ 19 IV.1. Hệ thống thiết bị ngưng tụ barômet 19 IV.2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ 20 IV4. Những kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baroomet 25 V. Tính toán cơ khí (thiết bị cô đặc) 26 V.A.Buồng đốt 26 V.B. Buồng bốc hơi 32 V.C. Tính và chọn tai treo 36 Tổng kết thiết bị 40 Kết luận 42 Tài liệu tham khảo 43