Đang tải... (xem toàn văn)
Một trong các phương pháp đó là cô đặc: Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi với mục đích:- Thu dung môi ở dạng nguy
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA HÓA - NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THẾT BỊĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCHKALI NITRATE HAI NỒI NGƯỢC CHIỀU
Giáo viên hướng dẫn: TS Trương Hữu Trì
Lớp: 21KTHH2
Nhóm học phần: 21.50C
Sinh viên thực hiện: NGÔ THỊ THU HIỀN
NGUYỄN NGỌC MAI PHƯƠNG
Trang 21
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
Đồ án Quá trình & Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học, tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình và các thiết bị với số liệu cụ thể Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc của một người kỹ sư Trong kỹ thuật hóa học có rất nhiều phương pháp khác nhau ứng dụng cho các quá trình sản xuất Một trong các phương pháp đó là cô đặc: Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi với mục đích:
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất - Làm tăng nồng độ chất tan.
- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc dạng ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức, phòng đốt ngoài,… trong đó thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, cô đặc dung dịch có độ nhớt tương đối và cao, ; dây chuyền 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 sử dụng hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
Với nhiệm vụ thiết kế là tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch Natri hydroxide (NaOH) với công suất 36000 kg/h từ nồng độ đầu 5% lên tới 30% theo khối lượng.
Qua thời gian học tập và tìm hiểu em đã hoàn thành nội dung đồ án với 5 nội dung chính: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan.
- Chương 2: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính - Chương 3: Tính toán thiết bị phụ.
- Chương 4: Tính toán cơ khí - Chương 5: Tính toán chi tiết khác.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Thanh Sơn đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình em thực hiện đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trong bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này Tuy nhiên do còn hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm nên trong đồ án còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn.
2
Trang 4MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 6
1 Tổng quan về nguyên liệu: 6
2 Tổng quan về quá trình cô đặc: 6
2.1 Khái niệm, mục đích và đặc điểm quá trình cô đặc: 6
2.2 Các phương pháp cô đặc: 8
2.3 Thiết bị cô đặc: 8
2.4 Thời gian cô đặc: 10
3 Quy trình công nghệ: 11
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 11
1 Số liệu ban đầu: 12
2 Cân bằng vật liệu: 12
2.1 Tính lượng hơi thứ bốc trong quá trình cô đặc: 12
2.2 Tính sự phân bố hơi thứ trong các nồi: 12
2.3 Nồng độ dung dịch sau khi ra khỏi mỗi nồi: 12
2.4 Phân bố áp suất làm việc trong mỗi nồi: 13
2.5 Phân bố nhiệt độ trong mỗi nồi: 13
2.6 Tổn thất nhiệt độ: 14
2.7 Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống và phân bố cho từng nồi: 18
2.8 Nhiệt độ hơi đốt, hơi thứ và nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi: 19
3 Cân bằng nhiệt lượng: 19
3.1 Nhiệt dung riêng: C (J/Kg.độ) 19
3.2 Nhiệt lượng riêng: 20
3.3 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng: 20
4 Tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: 22
4.1 Độ nhớt: 22
4.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch: λdddd 23
4.3 Hệ số cấp nhiệt: α 24
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 31
1 Thiết bị ngưng tụ Bromet: 31
1.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: 31
1.2 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: 31 3
Trang 51.3 Các đường kính chủ yếu của thiết bị baromet: 32
2 Chọn bơm: 37
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 38
1 Tính toán thông số của buồng đốt: 38
1.1 Số ống truyền nhiệt: 38
1.2 Đường kính trong của buồng đốt: 39
1.3 Chiều dày buồng đốt: 39
1.4 Bề dày đáy buồng đốt: 41
2 Tính toán thông số của buồng bốc: 43
2.1 Đường kính trong của buồng bốc: 43
2.2 Chiều cao buồng bốc hơi: 44
2.3 Bề dày thân buồng bốc: 44
2.4 Bề dày nắp buồng bốc hơi: 46
2.5 Bề dày đáy buồng bốc: 47
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CHI TIẾT KHÁC 49
1.5 Ống tháo nước ngưng: 51
1.6 Đường kính ống tuần hoàn: 52
2 Tính bề dày lớp cách nhiệt: 52
KẾT LUẬN 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
4
Trang 6TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa Hóa
-o -o -o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Sinh viên thực hiện Lớp
Ngành
: :
1- Đầu đề : Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc liên tục hai nồi ngược chiều ống
tuần hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch KNO3 .
2- Số liệu ban đầu :
- Năng suất theo dung dịch đầu: Gđ = 18000 kg/h - Nồng độ đầu: xđ = 8% khối lượng
- Nồng độ cuối: xc = 30% khối lượng - Áp suất hơi đốt: P1 = 5 at
- Áp suất hơi ngưng tụ baromet: Pnt = 0,15 at
3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
- Sơ đồ dây truyền công nghệ cô đặc và cấu tạo thiết bị chính (kèm bản vẽ mô tả) - Tính toán bề mặt truyền nhiệt bề mặt truyền nhiệt thiết bị cô đặc
- Tính toán bề dày lớp cách nhiệt - Tính toán thiệt bị ngưng tụ baromet - Tính cơ khí
4.Bản vẽ
- Sơ đồ dây truyền công nghệ hệ thống cô đặc: khổ A3 ( 1 bản)
5- Thời gian thực hiện :
- Ngày bắt đầu giao đồ án : 27/08/2022 - Ngày nộp đồ án : 12/2022
- Ngày bảo vệ : 28/12/2022
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
5
Trang 71. Tổng quan về nguyên liệu:
- Natri hydroxide (công thức hóa học: NaOH) hay thường gọi là xút hoặc xút ăn da hay là kiềm NaOH (kiềm ăn da) là một hợp chất vô cơ của Natri Ở dạng nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,1 g/cm3, nóng chảy ở 318°C (519K) và sôi ở 1390°C (1663K) dưới áp suất khí quyển NaOH tan tốt trong nước (1110g/l ở 20°C) và sự hòa tan tỏa nhiệt mạnh NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như metanol, etanol … NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được chứa trong các bình có nắp kín - Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao Vì
vậy ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH.
- Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hóa chất cơ bản và lâu năm Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa,… Natri hydroxide cũng được sử dụng chủ yếu trong phòng thí nghiệm.
- Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.
2 Tổng quan về quá trình cô đặc:
2.1 Khái niệm, mục đích và đặc điểm quá trình cô đặc:
- Cô đặc là quá trình tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu
tử bằng cách làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi.
- Mục đích của quá trình cô đặc:+ Làm tăng nồng độ chất tan
6
Trang 8+ Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)+ Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)
- Quá trình cô đặc thường tiến hành ở dạng sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của
dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị.
- Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất
khác nhau (áp suất chân không, áp suất thường và áp suất dư) :
+ Cô đặc ở áp suất chân không: Thường được dùng cho các dung dịch dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao Ở điều kiện áp suất chân không, nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên hiệu số nhiệt độ hữu ích lớn dẫn đến giảm bề mặt trao đổi nhiệt cho thiết bị Ngoài ra có thể tận dụng nhiệt từ các quá trình khác.
+ Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển: Thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch của muối vô cơ Hơi thứ của quá trình này được sử dụng để gia nhiệt cho các nồi cô đặc khác hoặc cho các quá trình đun nóng khác.
+ Cô đặc ở áp suất khí quyển: Hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế (thiết bị hở)
- Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở một nồi hoặc hệ thống nhiều nồi, có thể làm việc
liên tục hay gián đoạn Hơi thứ bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc.
+ Cô đặc một nồi: Chỉ dùng khi năng suất thấp và khi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt để đun nóng.
+ Cô đặc nhiều nồi: Là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa về mặt sử dụng nhiệt.
2.2. Các phương pháp cô đặc:- Có hai phương pháp cô đặc:
+ Phương pháp nhiệt: Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi nước dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng dung dịch.
7
Trang 9+ Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tín xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp.
2.3.Thiết bị cô đặc:
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi nước được dùng phổ biến, loại này gồm có hai phần chính:
+ Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch.
+ Bộ phận bốc hơi: Là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng-hơi của dung dịch sôi Tùy theo độ cần thiết người ta có thể tạo thêm bộ phận phân ly hơi-lỏng ở trong phòng hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.
Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau: + Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng.
+ Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao ), bằng dòng điện + Theo chất độ tuần hoàn của dung dịch: tuần hoàn cưỡng bức, tuần hoàn tự nhiên… + Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: vỏ bọc ngoài ống xoắn, ống chùm.
2.3.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm:
- Phần dưới của thiết bị là phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và ở tâm có ống
tuần hoàn tương đối lớn Dung dịch đi bên trong ống, hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống Phía trên phòng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi-lỏng còn gọi là buồng bốc Trong buồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
+ Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa Thường được sử dụng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch có thể có nhiều váng, cặn…
+ Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn còn bé, hệ số truyền nhiệt thấp.
8
Trang 10
2.3.2 Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:
- Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, nồi đầu thường làm việc ở áp suất cao hơn áp
suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không.
- Nguyên tắc hoạt động: Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc
lên ở nồi này được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ 2 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 lên do dung môi bốc hơi một phần 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 đốt để đun nóng dung dịch Vì vậy, dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc hơi nước ngưng tụ.
+ Ưu điểm: Dung dịch tự chuyển từ nồi trước sang nồi sau do sự chênh lệch áp suất giữa các nồi Nồng độ dung dịch tăng qua các nồi.
+ Nhược điểm: Nhiệt dộ dung dịch của các nồi sau giảm dần Nồng độ dung dịch tăng do đó độ nhớt tăng dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối 9
Trang 112.4.Thời gian cô đặc:
- Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi
nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu.
- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc
hơi của sản phẩm Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm thiết bị càng ngắn.
- Cường độ bốc hơi: Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi
nhiệt giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi Cường độ trao đổi nhiệt được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao.
10
Trang 123 Quy trình công nghệ:
- Dung dịch từ thùng chứa hỗn hợp đầu được bơm lên thùng cao vị, rồi vào thiết bị gia
nhiệt, sau khi qua lưu lượng kế Lúc này hơi đốt đã được đưa vào thiết bị gia nhiệt để cấp nhiệt Sau khi vào thiết bị gia nhiệt, dung dịch ở trạng thái sôi được bơm bơm vào buồng đốt của nồi cô đặc 1 thông qua ống tuần hoàn và bơm tuần hoàn Hơi thứ bốc ra từ nồi 1 đi vào phòng đốt của nồi 2.
- Dung dịch sau khi cô đặc từ nồi 1 tự di chuyển sang buồng đốt nồi cô đặc 2 Hơi cấp
nhiệt cho nồi 1 là hơi đốt, hơi thứ nồi 1 dùng làm hơi đốt cho nồi 2.
- Nước ngưng được lấy ra bên dưới thiết bị cô đặc, thiết bị gia nhiệt, khí không ngưng
được tháo ra định kỳ.
- Hơi thứ nồi 2 sau khi vào thiết bị ngưng tụ còn 1 lượng khí không ngưng sẽ được đưa
vào bộ phận thu hồi bọt đẻ tách bọt, khí không ngưng được đưa ra ngoài.
11
Trang 13CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1 Số liệu ban đầu:
Nhiệm vụ: Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô dặc hai nồi xuôi chiều ống tuần
hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch NaOH.
- Các số liệu ban đầu:
+ Năng suất dung dịch đầu: Gđ = 36000 kg/h + Nồng độ đầu: xđ = 5 % khối lượng.
+ Nồng độ cuối: xc = 30 % khối lượng.
+ Áp suất hơi tuyệt đối của hơi đốt nồi đầu: Phđ1 = 4 at + Áp suất hơi ngưng tụ: Pnt = 0,2 at.
- Các kí hiệu thường dùng trong bài:
+ Gđ, Gc là lượng dung dịch lúc đầu và cuối, tính theo: kg/h.
+ xđ, xc là nồng độ đầu và cuối của dung dịch, tính theo: % khối lượng.
+ W là lượng dung môi nguyên chất bốc hơi khi nồng độ dung dịch thay đổi từ xđ đến xc, tính theo: kg/h.
+ W1, W2 là lượng hơi thứ bay ra ở các nồi, tính theo: kg/h.
2 Cân bằng vật liệu:
2.1 Tính lượng hơi thứ bốc trong quá trình cô đặc:
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất Coi quá trình bay hơi không kéo theo chất hòa tan theo hơi thứ:
2.2 Tính sự phân bố hơi thứ trong các nồi:
Chọn tỷ lệ phân bố hơi thứ trong các nồi như sau:
Trang 14Nồng độ nồi 2:
x2 ¿ Gđ xđ
Gđ−(W1+W2) = 36000−3000036000.5 = 30 % khối lượng
2.4 Phân bố áp suất làm việc trong mỗi nồi:
+ Gọi P1, P2 và Pnt là áp suất hơi đốt của nồi 1, nồi 2 và áp suất ngưng tụ của thiết bị ngưng tụ Baromet.
+ ∆p1, ∆p2 là hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2 và của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ.
+ ∆plà hiệu số áp suất cho toàn bộ hệ thống Chọn áp suất hơi đốt nồi 1: Phđ1 = 4 at.
Chọn áp suất thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt = 0,2 at.
Giả sử sự giảm áp suất trong các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ lệ sau:
2.5 Phân bố nhiệt độ trong mỗi nồi:
+ Gọi thđ1, thđ2, tnt là nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và thiết bị ngưng tụ + Gọi tht1, tht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 và nồi 2.
Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết bị khác là
Dựa vào công thức (5) và (6) để xác định nhiệt độ hơi thứ nồi 1 và nồi 2 (tht1 và tht2), từ đó xác định được áp suất hơi thứ nồi 1 và nồi 2 (Pht1 và Pht2)
13
Trang 15 Các số liệu tra bảng I.251, trang 314 STQTTB tập 1:
Bảng 1: Nhiệt độ hơi nước bão hòa theo áp suất.
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất khác nhau, tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh và tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống gây nên.
2.6.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ: Δ’
Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng một áp suất được gọi là tổn thất nồng độ.
∆'(P mặt thoáng)=tsdd(P mặt thoáng)−tsdm(P mặt thoáng)
Áp dụng công thức Tisencô (VI.10, trang 59 STQTTB tập 2):
=∆ '0f
- Trong đó:
+ Δ’0 là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung mỗi ở áp suất thường.
+ f =16,2T
r (VI.11, trang 59 STQTTB tập 2)
+ T là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg + R là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg.
Dựa vào bảng (VI.2, trang 67 STQTTB tập 2) ta biết được tổn thất nhiệt độ ∆ '0 theo
Trang 16 Dựa vào bảng (I.251, trang 314 STQTTB tập 1) ta xác định được nhiệt hóa hơi r.
Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi.
Nhiệt hóa hơi: r.10-3 (J/kg) 2223,8 2356.9 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi:
2.6.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: Δ’’
Tổn thất nhiệt độ Δ’’ bên trong ống truyền nhiệt do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc
luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch ở trên mặt thoáng Người ta thường tính áp suất ở khoảng giữa ống truyền nhiệt.
Hiệu số nhiệt độ của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoáng gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh gây ra.
- Trong đó:
+ tsdd (P mặt thoáng) là nhiệt độ sôi ứng với Ptb.
+ tsdd (P0)là nhiệt độ sôi của dung dịch trên bề mặt thoáng chính bằng nhiệt độ sôi của hơi thứ + tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc: Ta có:
Ptb=P0+(∆ h+h
2) ρdds g (VI.12 trang 60, STQTTB tập 2)
- Trong đó:
+ Ptb là áp suất trung bình tại nửa ống truyền nhiệt, N/m2 + P0 là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2.
+ Δh là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch Chọn ∆ h = 0,5 m.
+ h là chiều cao của ống truyền nhiệt Chọn h = 4 m + ρdds là khối lượng riêng của dung dịch sôi, kg/m3.
15
Trang 17Với: ρdds(ở áp suấtlàm việc)=ρdd (ở áp suất khí quyển)
Bảng số liệu nhiệt độ sôi của dung dịch, khối lượng riêng của dung dịch NaOH ở áp
suất khí quyển (Tra bảng I.23, trang 35 STQTTB tập 1), áp suất hơi thứ trên bề mặtdung dịch và áp suất hơi nước bão hòa theo nhiệt độ (Tra bảng I.250, trang 312
Tìm nhiệt độ sôi trung bình (t°
s) của dung dịch NaOH ứng với áp suất trung bình (Ptb) ta dùng công thức Babo (Theo CT VI.11a, trang 59 STQTTB tập 2).
- Trong đó:
+ P là áp suất hơi bão hòa của dung môi trên bề mặt thoáng của dung dịch, at + P0 là áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất, at.
Tính ts1 ứng với Ptb1 ớ nồi 1: Biết ở áp suất 1 at dung dịch sôi ở 102,4 °C.
16
Trang 18Ở 102,4°C, P0 = 1,128 at (áp suất tuyệt đối) (Theo bảng I.250, trang 312 STQTTB
Tính ts2 ứng với Ptb2 ớ nồi 2: Biết ở áp suất 0,2 at dung dịch sôi ở 117,5°C.
Ở 117,5°C, P0 = 0,74 at (áp suất tuyệt đối), (Theo bảng I.250, trang 312 STQTTB
2.6.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống: ∆’’’
Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1°C Do đó:
17
Trang 192.7 Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống và phân bố cho từng nồi:2.7.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống:
2.8 Nhiệt độ hơi đốt, hơi thứ và nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi:
NồiNhiệt độ hơi đốtNhiệt độ sôi dung dịchNhiệt độ hơi thứ
3 Cân bằng nhiệt lượng:
3.1 Nhiệt dung riêng: C (J/Kg.độ)
3.1.1 Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cho vào nồi cô đặc: Cđ
Vì dung dịch đầu có nồng độ xđ =5% < 20%, nên ta áp dụng công thức: (Theo CTI.43, trang 152 STQTTB tập 1)
Cđ = 4186.(1-x)
18
Trang 20= 4186.(1-0,05) = 3976,7 (J/kg.độ)
3.1.2 Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1: C1 = Cc1
Vì dung dịch cuối nồi 1 có nồng độ xc1 = 8,84% < 20%, nên ta áp dụng công thức:
(Theo CT I.43, trang 153 STQTTB tập 1)
C1 = 4186.(1-x)
= 4186.(1-0,0844) = 3832,8 (J/Kg.độ)
3.1.3 Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2: C2 = Cc2
Vì dung dịch cuối nồi 2 có nồng độ xc2 = 30% > 20%, nên ta áp dụng công thức:
(Theo CT I.44, trang 153 STQTTB tập 1)
C2 = Cht.x + 4186.(1-x) (J/Kg.độ)
- Trong đó: Cht là nhiệt dung riêng chất hòa tan khan, J/Kg.độ Nhiệt dung riêng của NaOH tính theo công thức:
M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 (*) (Theo CT I.41, trang 152 STQTTB tập 1)
Dựa vào bảng (I.41, trang 152 STQTTB tập 1) ta biết được nhiệt dung riêng các
Thay vào (*) ta được: Cht = 1310,75 (J/Kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2:
C2 = 1310,75.0,3 + 4186.(1-0,3) = 3323,425 (J/Kg độ)
3.1.4 Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1:
Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1 ứng với nhiệt độ của hơi đốt nồi 1: thđ1 = 142,8 °C
Tra bảng I.249, trang 311 STQTTB tập 1: Cn1 = 4294,0 (J/Kg.độ)
3.1.5 Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 2:
Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 2 ứng với nhiệt độ của hơi đốt nồi 2: thđ1 = 113,6 °C
Tra bảng I.249, trang 311 STQTTB tập 1: Cn2 = 4239,1 (J/Kg.độ)
3.2 Nhiệt lượng riêng:
Nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi đốt: I Nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi thứ: i
Dựa vào bảng (I.250, trang 312 STQTTB tập 1) ta biết được nhiệt lượng riêng của
dung dịch:
19
Trang 21Bảng 4: Bảng số liệu nhiệt lượng mỗi nồi.
+ D: Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, Kg/h + Gđ , Gc: Lượng dung dịch đầu và cuối, Kg/h.
+ W1, W2: Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, nồi 2, Kg/h.
+ Cđ, C1, C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc, sau khi ra khỏi nồi 1 và sau khi ra khỏi nồi 2.
+ I1, I2: Hàm nhiệt hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, J/kg + i1, i2: Hàm nhiệt hơi thứ vào nồi 1, nồi 2, J/kg.
+ Cn1, Cn2: Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/Kg.độ + θ1, θ2: Nhiệt độ của nước ngưng nồi 1, nồi 2.
+ Qtt1, Qtt2: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, J.
Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng3.3.1 Nhiệt lượng vào:
- Nồi 1:
+ Nhiệt lượng do hơi đốt mnag vào: D.I1 + Nhiệt do dung dịch mang vào: Gđ.Cđ.tđ
- Nồi 2:
+ Nhiệt lượng do hơi thứ mang vào: W1.i1
+ Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang: (Gđ-W1).C1.ts1
20
Trang 223.3.2 Nhiệt lượng ra:
3.3.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Dựa trên nguyên tắc:
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra.
Trang 23Chọn nhiệt độ dung dịch đầu: tđ = 25°C Thay số vào (4) và (5) ta được kết quả sau:
+ θ1, θ2 : nhiệt độ của chất lỏng chuẩn có cùng giá trị độ nhớt µ1, µ2.
Ở đây chọn chất lỏng chuẩn là rượu etylic 60% (Theo bảng I.101, trang 92 STQTTBtập 1).
22
Trang 24 Độ nhớt của dung dịch nồi 1: x1 = 8,44 %, ts1 = 120,8 °C.
Độ nhớt của dung dịch ở 20 °C và 30 °C (Tra bảng I.107, trang 100 STQTTB tập 1). Độ nhớt của nước ứng với θs1 = 95,9 °C là µs1 = 0,0002966 (N.s/m2)
Độ nhớt của nước ở 95,9 °C chính bằng độ nhớt của dung dịch NaOH 8,44% ứng với nhiệt độ sôi ts1 = 120,8 °C.
Độ nhớt của dung dịch ở 60 °C và 80 °C (Tra theo toán đồ độ nhớt của dung dịch
Trang 25ts 2−tμ 2
θs 2−θμ 2=k =¿θs 2=ts 2−tμ 2
k +θμ 2=¿ °C
Độ nhớt của dd NaCl 20% ứng với θs2 = 19,4 °C là µs1 = 0,001584 (N.s/m2)
Độ nhớt của dung dịch NaCl 20% ở 19,4 °C chính bằng độ nhớt của dung dịch NaOH 30% ứng với nhiệt độ sôi ts1 = 93,6 °C.
4.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch: λdd
Tính theo công thức sau:
λdd=A Cp ρ √3 Mρ ¿ (CT I.32, trang 123, STQTTB tập 1)
- Với:
+ A: là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước A = 3,58.10-8
+ Cp: là nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ + ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3.
+ M: khối lượng mol của chất lỏng.
Trang 26Ở đây ta dùng hơi nước bão hòa làm hơi đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc đi trong ống Do đó bên ngoài ống có lớp nước ngưng tụ Lớp nước ngưng này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Còn sát thành ống sẽ có một lớp cặn dung dịch bám vào,vì vận tốc khu vực này gần bằng không nên lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.
Qúa trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm ba giai đoạn: + Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt là α1 với nhiệt tải là q1 (W/m2 ).
+ Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày là δ, m.
+ Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệtlà α2 với nhiệt tải riêng là q2 (W/m2 ).
25
Trang 274.3.1 Tính hệ số cấp nhiệt về phía nước ngưng: α1 (CT V.101 trang 28 STQTTB tập 2)
Trang 28+ p: áp suất làm việc Lấy p = ptbi (N/m2) + ∆t2: Hiệu số nhiệt độ ở nồi 1 và nồi 2 + q: nhiệt tải riêng.
o λdddd, 𝜌dd, Cdd, 𝜇dd: Độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương ứng với độ sôi của dung dịch
o λddn, 𝜌n, Cn, 𝜇n: Độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương ứng với độ sôi của nước.
Bảng 5: Các thông số của dung dịch.
Nồi λdd(W/m.độ) ρdd (Kg/m3) Cdd (J/Kg.độ) µdd (N.s/m2)
Dựa vào bảng I.249, trang 310 STQTTB tập 1, ta tra các thông số của nước theo nhiệt độ của mỗi nồi:
27
Trang 29Bảng 6: Bảng tra các thông số của nước theo nhiệt độ của các nồi.