Đang tải... (xem toàn văn)
Cô đặc chân không một nồi liên tục dung dịch NaNO3 là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy Huỳnh Kỳ Phương Hạ, bộ môn Vô Cơ khoa Kỹ thuật Hoá học trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học MỤC LỤC GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học LỜI NÓI ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình Thiết bị hội tốt cho việc hệ thống kiến thức trình thiết bị công nghệ hoá học Bên cạnh đó, môn học dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế lựa chọn chi tiết thiết bị với số liệu cụ thể, thông dụng Cô đặc chân không nồi liên tục dung dịch NaNO3 đồ án thực hướng dẫn trực tiếp Thầy Huỳnh Kỳ Phương Hạ, môn Vô Cơ - khoa Kỹ thuật Hoá học trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Người viết xin chân thành cảm ơn thầy Huỳnh Kỳ Phương Hạ thầy cô môn Quá trình Thiết bị người bạn nhiệt tình giúp đỡ trình thực Vì Đồ án Quá trình Thiết bị đề tài lớn mà sinh viên đảm nhận nên thiếu sót hạn chế trình thực tránh khỏi Do đó, người viết mong nhận thêm góp ý, dẫn từ thầy cô giáo bạn bè để từ rút kinh nghiệm củng cố mở rộng thêm kiến thức chuyên môn SVTH : Vũ Trung Tín Trang GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC: I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN - Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaNO3 Suất lượng nhập liệu Gd=4000 Kg/h Nồng độ ban đầu Xd=10% Nồng độ cuối Xc=20% Áp suất chân không cô đặc Pck=0.4 at - Nhiêt độ đầu nguyên liệu: 300C GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU • NaNO3 chất rắn, có màu trắng tinh thể không màu có khả tan tốt nước (đến 86,4% nhiệt độ thường ) Dung dịch NaNO3 có độ nhớt bé • Sức căng bề mặt lớn dung dịch sôi sủi bọt nhiều • Đồng thời muối nitrat có tính ăn mòn hóa học, đặc biệt điều kiện nhiệt độ cao áp suất cao ý vấn đề chọn vật liệu thiết bị NaNO3 ứng dụng nhiều công nghiệp như: • Sản xuất phân bón, phân đạm nitrat • Sản xuất thuốc nổ hỗn hợp tạo khói tên lửa • Trong công nghiệp sản xuất hóa chất sản xuất axit nitric cho phản ứng với axit sunfuric… • Là thuốc thử sử dụng thông dụng phòng thí nghiệm • Trong công nghiệp thực phẩm phụ gia, ướp loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay cho KNO3 Tính chất nguyên liệu • Khối lượng nguyên liệu : 84,9947 • Điểm nóng chảy : 3070C • Điểm sôi : 3800C • Khối lượng riêng: 2,3.103 kg/m3 • Độ tan : 92g/100mL II III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC Định nghĩa: Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch gồm hai nhiều cấu tử Quá trình cô đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn); trình vật lý – hoá lý Tuỳ theo tính chất cấu tử khó bay (hay không bay trình đó), ta tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) phương pháp làm lạnh kết tinh SVTH : Vũ Trung Tín Trang GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức đó, cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết; thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử áp suất bên tác dụng lên mặt thoáng mà trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp ta phải dùng máy lạnh Bản chất cô đặc nhiệt Để tạo thành (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phân tử đủ lượng thực trình Bên cạnh đó, bay xảy chủ yếu bọt khí hình thành trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hoàn tự nhiên nồi cô đặc Tách không khí lắng keo (protit) ngăn chặn tạo bọt cô đặc Ứng dụng cô đăc Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây… Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà máy Cùng với phát triển nhà máy, việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Nó đòi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an toàn hiệu suất cao Do đó, yêu cầu đặt cho người kỹ sư phải có kiến thức chắn đa dạng hơn, chủ động khám phá nguyên lý thiết bị cô đặc IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Phân loại ứng dụng 1.1 Theo cấu tạo: Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhóm cô đặc dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: SVTH : Vũ Trung Tín Trang GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ - - Đồ án môn học ▪ Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn ▪ Có buồng đốt (không đồng trục buồng bốc) Nhóm : dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Bao gồm : ▪ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ▪ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn Nhóm : dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt lần (xuôi hay ngược) để tránh tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất số thành phần dung dịch Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép Bao gồm : ▪ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ ▪ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt bọt dễ vỡ 1.2 Theo phương pháp thực trình Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở ): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; - - - thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục Cô đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi không nên lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế Cô đặc liên tục: cho kết tốt cô đặc gián đoạn Có thể điều khiển tự động chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với nhóm thiết bị, ta thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật tính chất dung dịch, ta áp dụng chế độ cô đặc áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư Các thiết bị chi tiết hệ thống cô đặc SVTH : Vũ Trung Tín Trang GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Thiết bị : • Ống nhập liệu, ống tháo liệu • Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt • Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp • Các ống dẫn: đốt, thứ, nước ngưng, khí không ngưng Thiết bị phụ : • Bể chứa nguyên liệu • Bể chứa sản phẩm • Bồn cao vị • Lưu lượng kế • Thiết bị gia nhiệt • Thiết bị ngưng tụ baromet • Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị • Bơm tháo liệu • Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ • Bơm chân không • Các van • Thiết bị đo nhiệt áp suất V LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NANO3 Theo tính chất nguyên liệu sản phẩm, điều kiện kỹ thuật đầu đề, người viết lựa chọn thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục có buồng đốt ống tuần hoàn trung tâm Thiết bị cô đặc loại có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh sửa chữa Cô đặc áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi dung dịch, giảm chi phí lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi theo bám lại thành thiết bị (làm hư thiết bị) Tuy nhiên, loại thiết bị phương pháp cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ (vì ống tuần hoàn đun nóng) hệ số truyền nhiệt thấp SVTH : Vũ Trung Tín Trang GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ: Nguyên liệu ban đầu dung dịch NaOH có nồng độ 18% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ bố trí theo đỉnh hình tam giác Các đầu ống giữ chặt vỉ ống vỉ ống hàn dính vào thân Nguồn nhiệt nước bão hoà có áp suất at bên ống (phía vỏ) Dung dịch từ lên bên ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ bề mặt ống cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau gia nhiệt chảy vào thiết bị cô đặc để thực trình bốc Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy chảy Nguyên lý làm việc nồi cô đặc: Phần thiết bị buồng đốt, gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch ống đốt (hơi nước bão hoà) khoảng không gian ống Hơi đốt ngưng tụ bên ống truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động ống Dung dịch ống theo chiều từ xuống nhận nhiệt đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy để chảy Nguyên tắc hoạt động ống tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt nên lượng tạo ống truyền nhiệt lớn Vì lý trên, khối lượng riêng hỗn hợp lỏng – ống tuần hoàn lớn so với ống truyền nhiệt hỗn hợp đẩy xuống Kết có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên thiết bị, từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn Phần phía thiết bị buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – thành dòng Hơi thứ lên phía buồng bốc, đến phận tách giọt để tách giọt lỏng khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống thứ tiếp tục lên Dung dịch lại hoàn lưu Dung dịch sau cô đặc bơm theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ khí không ngưng thoát từ phía buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh nước bơm vào ngăn dòng thứ dẫn SVTH : Vũ Trung Tín Trang GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học vào ngăn thiết bị Dòng thứ lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục lên trên, dẫn qua phận tách giọt bơm chân không hút Khi thứ ngưng tụ thành lỏng thể tích giảm làm áp suất thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet thiết bị ổn định chân không, trì áp suất chân không hệ thống Thiết bị làm việc áp suất chân không nên phải lắp đặt độ cao cần thiết để nước ngưng tự chảy khí mà không cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn với nhiệm vụ tách giọt lỏng bị lôi theo dòng khí không ngưng để đưa bồn chứa nước ngưng Bơm chân nhiệm vụ hút khí không ngưng để tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ thiết bị ngưng tụ nhiều, làm tăng áp suất thiết bị nước chảy ngược vào nồi cô đặc CHƯƠNG :TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH I CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Dữ liệu ban đầu Suất lượng nhập liệu Gd=4000 Kg/h Nồng độ ban đầu Xd=10% Nồng độ cuối Xc=20% Áp suất chân không cô đặc Pck=0.4 at Nhiêt độ đầu nguyên liệu: 300C Cân vật chất 2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc) Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: GdXd=GcXc => Gc= Gd X d Xc 4000.0,1 0, = = 2000 Kg/h (1) 2.2 Tổng lượng thứ bốc lên (W) Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Gd = W + G c W= Gd – Gc = 4000 – 2000 = 2000 Kg/h Tổn thất nhiệt độ SVTH : Vũ Trung Tín Trang (2) GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ • • • • • Đồ án môn học Áp suất thiết bị ngưng tụ Pc= – 0,4= 0,6 Nhiệt độ thứ thiết bị ngưng tụ áp suất Pc tc = 85,5 (trang 314, [1] ) ∆’’’ tổn thất nhiệt độ thứ đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆’’’=10C ( trang 296, [5] ) Nhiệt độ sôi dung môi áp suất buồng bốc: tsdm(P0) = ∆’’’+ tc Tsdm(P0) = 1+ 85,5=86,5 Áp suất buồng bốc nhiệt độ tsdm(P0) = 86,50C P0= 0,6275 at (tr 312,[1] ) 3.1 Tổn thất nhiệt độ nồng độ tăng (∆’ ) Công thức Tisencô : ∆’= ∆’0.f (CT VI.10, trang 59, [2] ) • ∆’0 tổn thất nhiệt độ nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi áp suất khí quyển.Dung dịch cô đặc tuần hoàn nên a=xc=20% => ∆’0 = 2,60C ( trang 64, [2] ) (273 + t ) r f hệ số hiệu chỉnh khác áp suất khí quyển: f =16,14 (tr 59, [2]) Trong đó: t nhiệt độ sôi dung môi áp suất cho, t =86,50C r ẩn nhiệt hoá dung môi áp suất làm việc Pc= 0,6 r= 2296 KJ/Kg (trang 314, [1] ) • (86,5 + 273) 2296.1000 f= 16,14 = 0,9085 ’ ’ ∆ = ∆ 0.f = 2,6.0,9085 = 2,36210C tsdd(P0) = tsdm(P0) + ∆’ = 86,5 + 2,3621 = 88,86210C (3) (4) (5) 3.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh ( ∆’’’ ) Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến ống ∆P (N/m2 ), ta có: ∆P = 0,5 Trong đó: ρs • • • ρdd ρs g.Hop (6) khối lượng riêng trung bình dung dịch sôi bọt : ρs = 0,5 ρ dd khối lượng riêng thực dung dịch đặc bọt Chọn tsdd(P0+∆P) = 900C , C% = xc = 20% ρdd ρs = 1097,45 kg/m3 ( Bảng I.59, trang 46, [1] ) = 0,5.1097,45 = 548, 73 kg/m3 (7) Hop chiều cao thích hợp dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng SVTH : Vũ Trung Tín Trang GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học ρdd ρdm Hop = [ 0,26 + 0,0014.( )].h0 • h0 chiều cao ống truyền nhiệt: chọn h0= 1,5 m ( Bảng VI.6, trang 80, [2] ) ρ dm • ρ dm khối lượng riêng dung môi nhiệt độ sôi dung dịch 900C = 965,3 (trang 311, [1] ) Hop= [0,26 + 0,0014.( 1097,45 – 965,3)].1,5 = 0,667515 m (8) 1,5 9,81.104 ∆P = 0,5.548,73.9,81 = 0,04115 at (9) Áp suất trung bình Ptb = P0 + ∆P = 0,6275 + 0,04115 = 0,66865 (at) tsdm(Ptb) = 88,10870C ( trang 314, [1] ) (10) Ta có: ∆’’ = tsdm(Ptb) - tsdm(P0) ( trang 108, [3] ) ∆’’= tsdd(Ptb) - tsdd(P0) ∆’’= 88,1087 – 86,5 = 1,60870C ’’ (11) (12) tsdd(Ptb) = tsdd(P0) + ∆ = 88,8621 + 1,6087 = 90,4708 C Sai số nhỏ 1% chấp nhận được, tsdd(Ptb) = 900C Lấy sản phẩm đáy: tsdd(P0 + 2∆P) = 88,8621 + 2.0,04115 = 89,94440C Tổng tổn thất nhiệt : ∆’ + ∆’’ +∆’’’ = 2,3621 + 1,6087 + = 4,97080C (13) Gia nhiệt nước bão hoà, áp suất đốt at, tD= 142,9 (bảng I.251, trang 315, [1] ) Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: ∆thi= 142,9 – (85,5 + 4,9708 ) = 52,4290C (14) SVTH : Vũ Trung Tín Trang 10 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Số bậc n = Khoảng cách ngăn h = 400 mm Thời gian rơi qua bậc τ = 0,41 s Trong thực tế, thiết bị ngưng tụ từ lên thể tích giảm dần Do đó, khoảng cách hợp lý ngăn nên giảm dần theo hướng từ lên khoảng 50 mm cho ngăn • Chọn khoảng cách ngăn 400 mm • Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị 1300 mm • Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị 1200 mm • Chiều cao phần gờ nắp 50 mm • Chiều cao phần nắp ellipse 125 mm • Chiều cao phần đáy nón 450 mm Chiều cao thiết bị ngưng tụ: (từ xuống) Hngungtu = 125 + 50 + 1300 + 400 + 350 +300 +250 + 200 + 150 + 100 + 50 + 1200 +450 = 4925 mm (154) Kích thước ống baromet: Theo bảng đường kính ống baromet 125 mm Chiều cao ống baromet tính theo công thức II-15, trang 102, [4]: H’ = h + h + h + h ; m Chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h1 tính theo công thức VI.59, trang 86, [2]: - h1 = 10,33 b ;m 760 Trong đó: b độ chân không thiết bị ngưng tụ; mmHg b = 760 – 0,6.735 = 319 mm => h1 = 10,33 319 = 4,335882 760 m (155) Chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống h2 tính theo công thức VI.60, trang 87, [2]: h2 = ω2 H 1 + λ + ∑ ξ ÷ 2g d ;m Chọn hệ số trở lực vào ống => h2 = ξ1 = 0,5 khỏi ống ω H 1 + λ + 1,5 ÷ 2g d Nước lạnh nước ngưng tụ có: SVTH : Vũ Trung Tín Trang 57 ξ = => ∑ ξ = 1,5 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học ttb = 50,750C ρn = 987,725 kg/m3 μn = 0,000543 Ns/m2 => Re = ω.d ρ n 0, 5.0,125.987, 725 = = 113688, 42 > 4000 µn 0, 000543 (chế độ chảy rối ) (156) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn (bảng II.15, trang 381, [1] ) ε = 0, Độ nhám tuyệt đối mm Regh tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: 8 Re gh 0,125 d 7 = ÷ = ÷ = 9406,817 ε 0, 0002 (157) Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 9 0,125 d 8 Re n = 220 ÷ = 220 ÷ = 307459,347 ε 0, 0002 (158) Regh < Re < Ren (khu vực độ ) Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: 0,25 0,25 ε 100 0, 0002 100 λ = 0,1 1, 46 + + ÷ = 0,1 1, 46 ÷ = 0, 0238 => h2 = d Re 0,125 113688, 42 (159) 0,5 H 2,5 + 0, 0238 ÷ 2.9,81 0,125 ' m (160) Chọn chiều cao dự trữ h3 = 0,5 m để đề phòng ngăn ngừa nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn áp suất khí tăng Chọn chiều cao đoạn ống baromet ngập bể nước h4 = 0,5 m => H ' = 4,335882 + 0,52 H' 2,5 + 0, 0238 ÷+ 0,5 + 0.5 2.9,81 0,125 => H ' = 5,380813 m Chọn chiều cao ống baromet H’ = m SVTH : Vũ Trung Tín Trang 58 (161) GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị W tc pc i kg/h C at kJ/kg 2000 85,5 0,6 2650 Hơi vào Suất lượng Nhiệt độ Áp suất Enthalpy NƯỚC LÀM NGUỘI Nhiệt độ đầu vào t2d C 26 Nhiệt độ đầu t2c C 75,5 Nhiệt dung riêng cn J/(kg.K) 4180 Lưu lượng khối lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ Gn kg/s 6,267916 Lưu lượng thể tích nước lạnh cần thiết để ngưng tụ Vn m /s 0,006346 Áp suất nước bão hòa ph at 0,056 KHÍ KHÔNG NGƯNG Lưu lượng khối lượng không khí hút khỏi thiết Gkk kg/s 0,005726 bị Lưu lượng thể tích không khí hút khỏi thiết bị Vkk m3/s 0,009516 Nhiệt độ tkk C 34,95 ĐƯỜNG KÍNH TRONG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Khối lượng riêng thứ ρh kg/m3 0,359 Tốc độ thứ ωh m/s 20 Đường kính Dtr Mm 500 KÍCH THƯỚC TẤM NGĂN Chiều rộng ngăn b mm 300 Đường kính lỗ ngăn d mm Bề dày ngăn δ mm Bước lỗ t mm 0,55 CHIỀU CAO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Mức độ đun nóng nước P 0,832 Số ngăn z Cái Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị a0 mm 1300 Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị an mm 1200 Chiều cao H mm 4925 KÍCH THƯỚC ỐNG BAROMET Tốc độ nước lạnh nước ngưng chảy ống ω m/s 0,5 Đường kính ống d mm 125 Độ chân không b mmHg 319 Chiều cao cột nước cân với (pkq – pc) h1 m 4,335882 ξ1 Hệ số trở lực vào 0,5 ξ2 Hệ số trở lực SVTH : Vũ Trung Tín Trang 59 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Khối lượng nước lạnh nước ngưng Độ nhớt động lực Chuẩn số Reynolds Hệ số ma sát Chiều cao ρn μn Re λ H’ kg/m3 Ns/m2 987,725 0,000543 113688,42 0,0238 m ∑ H = H + H = 4,925 + = 10,925 ' Chiều cao thiết bị m III BỒN CAO VỊ Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng dung dịch nhập liệu Bồn đặt độ cao phù hợp nhằm thắng trở lực đường ống cao so với mặt thoáng dung dịch nồi cô đặc Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – ( mặt thoáng bồn cao vị) 2-2 ( mặt thoáng nồi cô đặc ): p1 α1.v12 p2 α v2 z1 + + = z2 + + + h1−2 γ 2g γ 2g Trong đó: v1 = v2 = m/s p1 = at p2 = p0 = 0,6275 at − t ρ = 1046,82 kg/m3 khối lượng riêng dung dịch NaNO3 10% = 61,07160C (trang 46, [1] ) − t μ = 0,00053 Ns/m2 độ nhớt động lực dung dịch NaNO3 10% ( bảng I.107, trang 100, [1] ) z2 khoảng cách từ mặt thoáng dung dịch nồi cô đặc đến mặt đất; m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = + 0,584 + 1,5 + 0,04 + 0,4 = 3,524 m (162) Với : z’ = m khoảng cách từ phần nối ống tháo liệu đáy nón đến mặt đất Hđ = 0,544 + 0,04 = 0,584 m chiều cao đáy nón Hbđ = 1,5 m chiều cao buồng đốt Hgc = 0,04 m chiều cao gờ nón cụt Hc = 0,4 m chiều cao phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 31 mm = 0,031 m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc l = 20 m Tốc độ dung dịch ống: SVTH : Vũ Trung Tín Trang 60 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ v= Gd d2 π ρ Đồ án môn học 4000 3600 = = 1, 406 π 0, 0312.1046,82 m/s (163) Chuấn số Reynolds : Re = v.d ρ 1, 406.0, 031.1046,82 = = 86088,11 > 4000 µ 0, 00053 ( chế độ chảy rối ) (164) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn ( bảng II.15, tr 381, [1] ) => độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: 8 Re gh 0, 031 d 7 = ÷ = ÷ = 1911,558 ε 0, 0002 (165) 9 0, 031 d Re n = 220 ÷ = 220 ÷ = 64053,94 ε 0,0002 (166) Do Re > Ren Hệ số ma sát : λ= d 1, 46 + 2.lg ÷ ε = 31 1, 46 + 2.lg ÷ 0, Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu ξ vao Đầu vào = 0, 03623 (167) Hệ số trở lực cục 0,5 Đầu ξ Khuỷu 900 ξ khuyu 90 1,19 Van cửa ξ van 0,5 ∑ ξ = ξvao + 5.ξ khuyu 90 + 2.ξ van + ξ = 0,5 + 5.1,19 + 2.0,5 + = 8, 45 Tổng tổn thất đường ống: h1−2 = SVTH : Vũ Trung Tín v2 l 31 1, 406 λ + ∑ ξ ÷= 0, 03623 + 8, 45 ÷ = 4, 6298 2g d 0, 02 2.9,81 Trang 61 (168) GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất : z1 = z2 + p2 − p1 (0, 6275 − 1).9,81.10 + h1−2 = 3,524 + + 4, 6298 = 4,595 γ 1046,82.9,81 m (169) Thỏa z1 > z2 Dung dịch NaNO3 10% tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc nồi cô đặc bồn có độ cao từ 4,595 m trở lên Chọn khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất m IV BƠM Bơm chân không Công suất bơm chân không: m −1 m Vkk m p N= p1 ÷ − 1 ηck m − p1 ;W Trong đó: m số đa biến, có giá trị từ 1,2 đến 1,62 Chọn m = 1,62 p1 áp suất không khí thiết bị ngưng tụ p1 = pc – ph = 0,6 – 0,056 = 0,544 at Với: ph áp suất nước hỗn hợp p2 = pa = at = 9,81.104 N/m2 áp suất khí Vkk lưu lượng thể tích không khí cần hút ηck = 0,8 hệ số hiệu chỉnh 1,62 −1 1,62 0, 009516 1, 62 => N = 0,544.9,81.10 − 1 = 435,1996 0,544 ÷ 0,8 1, 62 − W (170) Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ Công suất bơm: N= Q.ρ g H ; Kw 1000.η Trong đó: H cột áp bơm; m η hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 ρ = 996,66 kg/m3 khối lượng riêng nước 260C Q lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ; m3/s Q= Gn 6, 267916 = = 0, 0063 ρ 996, 66 SVTH : Vũ Trung Tín m3/s Trang 62 (171) GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – ( mặt thoáng bể nước ) – ( mặt thoáng thiết bị ngưng tụ ): p1 α1.v12 p α v + + H = z2 + + 2 + h1−2 γ 2g γ 2g z1 + Trong đó: v1 = v2 = m/s p1 = at p2 = 0,6 at μ = 0,000874 Ns/m2 độ nhớt động lức nước 260C ( bảng I.249, trang 310, [1] ) Chiều cao từ mặt thoáng bể nước xuống đất : Z1 = m Chiều cao từ mặt thoáng thiết bị baromet xuống đất Z2 = 12 m Chọn dhút = dđẩy = đường kính cửa vào thiết bị nước d = 100 mm v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = 13 m Tốc độ dòng chảy ống: v= Q 0, 0063 = = 0,802141 d 0,12 π π 4 m/s (172) Chuẩn số Reynolds: Re = v.d ρ 0,802141.0,1.996, 66 = = 91471, 61 ≥ 4000 µ 0, 000874 ( chế độ chảy rối ) (173) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn ( bảng II.15, trang 381, [1]) => độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo công thức II.60, trang 378, [1] : 8 Re gh 0,1 d 7 = ÷ = ÷ = 7289,343 ε 0, 0002 (174) Ren tính theo công thức II.64, trang 379, [1] : 9 0,1 d 8 Re n = 220 ÷ = 220 ÷ = 239201,5 ε 0,0002 Regh < Re < Ren ( khu vực độ ) Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: SVTH : Vũ Trung Tín Trang 63 (175) GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ 0,25 ε 100 λ = 0,1 1, 46 + ÷ d Re Đồ án môn học 0,25 0, 0002 100 = 0,1 1, 46 + 0,1 91471, 61 ÷ = 0, 0252 (176) ∑ ξ = ξ vao + ξ khuyu 90 + 2.ξ van + ξ = 0,5 + 1,19 + 2.0,5 + = 3, 69 Tổng hệ số tổn thất cục : Tổng tổn thất đường ống : h1−2 = v2 l 13 0,802141 λ + ∑ ξ ÷ = 0, 0252 + 3, 69 ÷ = 0, 2848 2g d 2.9,81 0,1 Cột áp bơm: H = ( z2 − z1 ) + p2 − p1 (0, − 1).9,81.104 + h1− = (12 − 2) + + 0, 2848 = 14, 298 γ 996, 66.9,81 N= m 0, 0063.996,66.9,81.14, 298 = 1,1743 1000.0, 75 Công suất bơm : kW Chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, bẩn Ký hiệu bơm K Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị Công suất bơm: N= Q.ρ g.H 1000.η ; kW Trong đó: H cột áp bơm ; m η hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 ρ = 1063,1 kg/m3 khối lượng riêng dung dịch NaNO3 10% 300C ( bảng I.59, trang 46, [1] ) Q lưu lượng thể tích dung dịch NaNO3 10% bơm vào bồn cao vị ; m3/s 4000 Gn Q= = 3600 = 0, 00105 ρ 1063,1 m3/s (177) Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – ( mặt thoáng bể chứa nguyên liệu ) – ( mặt thoáng bồn cao vị ) : z1 + p1 α1.v12 p α v + + H = z2 + + 2 + h1−2 γ 2g γ 2g Trong : v1 = v2 = m/s p1 = at SVTH : Vũ Trung Tín Trang 64 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học p2 = at μ = 0,00088 Ns/m2 độ nhớt động lực dung dịch NaNO3 10% 300C ( bảng I.107, trang 100, [1] ) z1 = m khoảng cách từ mặt thoáng bể chứa nguyên liệu đến mặt đất z2 = m khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = đường kính ống nhập liệu d = 31 mm Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến bồn cao vị l = m Vận tốc dòng chảy ống : v= 4Q 4.0, 00105 = = 1,391 π d π 0, 0312 m/s (178) Chuẩn số Reynolds: Re = v.d ρ 1,391.0, 031.1063,1 = = 52093,1 ≥ 4000 µ 0, 00088 ( chế độ chảy rối ) (179) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn ( bảng II.15, trang 381, [1]) => độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo công thức II.60, trang 378, [1] : 8 Re gh 0, 031 d 7 = ÷ = ÷ = 1911,558 ε 0, 0002 (180) Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1] : 9 0, 031 d 8 Re n = 220 ÷ = 220 ÷ = 64053,94 ε 0,0002 (181) Regh < Re < Ren ( khu vực độ ) Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: 0,25 0,25 ε 100 0, 0002 100 λ = 0,1 1, 46 + ÷ d Re = 0,1 1, 46 + 0, 031 52093,1 ÷ = 0, 033 (182) Tổng hệ số trở lực cục bộ: ∑ ξ = ξ vao + 2.ξ khuyu 90 + 2.ξ van + ξ = 0,5 + 2.1,19 + 2.0,5 + = 4,38 h1−2 = Tổng tổn thất đường ống: v2 l 1,391 λ + ∑ ξ ÷ = 0, 033 + 4,38 ÷ = 1, 272 2g d 0, 031 2.9,81 Cột áp bơm: SVTH : Vũ Trung Tín Trang 65 m (183) GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học H = (z2 – z1 ) + h1-2 = ( – ) + 1,272 = 4,272 m Công suất bơm: N= 0, 00105.1063,1.9,81.4, 272 = 0, 06237 1000.0, 75 kW (184) (185) Bơm tháo liệu Công suất bơm: N= Q.ρ g.H 1000.η ; kW Trong đó: • • • • H cột áp bơm ; m η hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 ρ = 1097,5 kg/m3 khối lượng riêng dung dịch NaNO3 20% 89,94440C ( bảng I.59, trang 46, [1] ) Q lưu lượng thể tích dung dịch NaNO3 20% tháo liệu khỏi nồi cô đặc ; m3/s 2000 G Q = n = 3600 = 0,000506 ρ 1097,5 • m3/s (186) Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – ( mặt thoáng bể nước) – ( mặt thoáng thiết bị ngưng tụ ): p1 α1 v12 p2 α v2 z1 + + + H = z2 + + + h1− γ 2g γ 2g Trong : - v1 = vhút = v ; m/s v2 = m/s p1 = p0 + 2∆p + ρ g H đ 1, 01.105 - p1 = 0, 6275 + 2.0, 04115 + 1097,5.9,81.0, 584 = 0, 7721 1, 01.105 at Với Hđ chiều cao phần đáy nón; m p2 = at μ = 0,00032 Ns/m2 độ nhớt động lực dung dịch NaNO3 20% 89,94440C ( bảng I.107, trang 100, [1] ) z1 = m chiều cao từ ống tháo liệu xuống đất z2 = m khoảng cách từ mặt thoáng bể chứa sản phẩm đến mặt đất SVTH : Vũ Trung Tín Trang 66 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Chọn dhút = dđẩy = đường kính ống tháo liệu d = 30 mm Chọn chiều dài đường ống từ đáy nón đến bồn chứa sản phẩm l= 5m Tốc độ dòng chảy ống: v= 4.Q 4.0, 000506 = = 0, 716 π d π 0, 032 m/s (187) Chuẩn số Reynolds: Re = v.d ρ 0, 716.0, 03.1097,5 = = 73669, 68 ≥ 4000 µ 0, 00032 (chế độ chảy rối) (188) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn ( bảng II.15, trang 381, [1] ) => độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo công thức II.60, trang 378, [1] : 8 0, 03 d 7 = ÷ = ÷ = 1841, 25 ε 0, 0002 Re gh (189) Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1] 9 0, 03 d 8 Re n = 220 ÷ = 220 ÷ = 61734,13 ε 0, 0002 (190) Re > Ren ( khu vực nhám ) Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.63, trang 379, [1]: λ= d 1,14 + 2lg ε ÷ = 0, 03 1,14 + 2.lg 0, 0002 = 0,182 (191) Tổng hệ số tổn thất cục bộ: ∑ ξ = ξ vao + 3.ξ khuyu 90 + ξ van + ξ = 0,5 + 3.1,19 + 0,5 + = 5,57 Tổng tổn thất đường ống: h1− = v2 l 0, 716 λ + ∑ ξ ÷ = 0,182 + 5,57 ÷ = 0,9381 2g d 0, 03 2.9,81 Cột áp bơm: H = ( z2 − z1 ) + SVTH : Vũ Trung Tín p2 − p1 α v + h1−2 − 1 ρ 2g Trang 67 m (192) GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ = (2 − 1) + Đồ án môn học (1 − 0, 7721).9,81.104 0, 7162 + 0,9381 − = 3,9885 1097,5.9,81 2.9,81 m N= (193) Công suất bơm: Q.ρ g.H 0, 000506.1097,5.9,81.3,9885 = = 0, 029 1000.η 1000.0, 75 kW (194) CHƯƠNG : CÁC CHI TIẾT PHỤ Lớp cách nhiệt • Vật liệu chế tạo amiante carton • Bề dày lớp cách nhiệt buồng đốt tính theo công thức VI.66, trang 92, [2]: λ ( t − t ) δc = c T1 T α n ( tT − t KK ) • Trong đó: tT1 nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp với bề mặt thiết bị; 0C Vì nhiệt trở thành thiết bị nhỏ so với nhiệt trở lớp cách nhiệt nên chọn tT1 = tD = 142,90C tT2 nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt phía không khí, vào khoảng từ 400C đến 500C Chọn tT2 = 450C tKK nhiệt độ không khí; 0C Chọn tKK = 27,20C ( bảng VII.1, trang 97, [2] ) - αn hệ số cấp nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt đến không khí; W/ (m2.K), tính theo công thức VI.67, trang 92, [2]: - αn = 9,3 + 0,058.tT2 = 9,3 + 0,058.(45+273) = 27,744 W/(m2.K) - λc = 0,144 W/(m.K) hệ số dẫn nhiệt amiante carton 1000C ( bảng I.126, trang 128, [1] ) => δ c = 0,144.(142, − 45) = 0, 028547 27, 744 ( 45 − 27, ) m (195) Để thuận tiện chế tạo, chiều dày lớp cách nhiệt cho buồng bốc buồng đốt chọn 30 mm Cửa sửa chữa • Vật liệu chế tạo thép CT3 • Đường kính cửa sửa chữa D = 500 mm SVTH : Vũ Trung Tín Trang 68 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học Cửa bố trí cho mép cao mặt thoáng dung dịch buồng bốc để chất lỏng không chảy Chọn khoảng cách từ mép cửa đến mặt thoáng dung dịch 0,5 m Khoảng cách từ mặt chất lỏng đến tâm cửa sửa chữa: • hc = 0,5 + 0,5 = 0, 75 m (196) Kính quan sát • Vật liệu chế tạo thép CT3 thủy tinh • Đường kính kính quan sát D = 230 mm • Kính bố trí cho mực chất lỏng nhìn thấy Do đó, có kính giống bên buồng bốc, tạo thành góc 1800 SVTH : Vũ Trung Tín Trang 69 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đồ án môn học TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hoá chất, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [2] Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình thiết bị Công nghệ Hoá chất, tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] Phạm Văn Bôn, Quá trình Thiết bị Công nghệ Hoá học Thực phẩm, tập 10, Ví dụ tập, NXB ĐHQG TPHCM, 2010 [4] Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt chuyển khối, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [5] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, Quá trình thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, tập 5, Quá trình thiết bị truyền nhiệt, Quyển : Truyền nhiệt ổn định, NXB ĐHQG TPHCM, 2006 [6] Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế Thiết bị hóa chất chế biến thực phẩm đa dụng, Bộ Giáo dục Đào tạo, Viện Đào tạo Mở rộng [7] Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 SVTH : Vũ Trung Tín Trang 70 GVHD: Huỳnh Kỳ Phương Hạ SVTH : Vũ Trung Tín Đồ án môn học Trang 71