TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Đề Tài TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaOH Giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Nhất Thống Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Diễm Trâm MSSV: 11149891 Lớp: CDHO13 Khóa : 2014 – 2015 Mã HP : 111703801 Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Đề Tài TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaOH Giảng viên hướng dẫn: MSSV: Lớp: CDHO13 Khóa : 2014 – 2015 Mã HP : Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN KHOA : CÔNG NGHỆ HÓA BỘ MÔN : MÁY VÀ THIẾT BỊ HỌ VÀ TÊN : 1.Tên đồ án: Tính toán thiết kế thiết bị cô đặc nồi dung dịch NaOH 2.Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu) Năng suất tính theo suất lượng nhập liệu 2000 kg/h Nồng độ ban đầu 12 % Nồng độ cuối 48 % Áp suất ngưng tụ at Áp suất đốt (hơi bão hòa) at Yêu cầu : Cân vật chất nhiệt lượng Tính thiết bị chính, thiết bị ngưng tụ chọn bơm.Vẽ vẽ quy trình công nghệ A1 vẽ chi tiết thiết bị A1 Ngày giao nhiệm vụ : 10/6/2013 Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 20/7/2014 Họ tên người hướng dẫn: Tp.HCM, ngày 10 tháng năm 2014 Tổ trưởng môn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) Trần Hoài Đức PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt:…………………………………………… Đơn vị :………………………………………………… Điểm tổng kết :………………………………………… Nơi lưu trữ: …………………………………………… LỜI CẢM ƠN Đối với sinh viên năm thứ ba cao đẳng, môn học Đồ án Quá trình Thiết bị hội tốt cho việc hệ thống kiến thức trình thiết bị công nghệ hóa học Bên cạnh đó, giúp sinh viên tiếp cận thực tế thông qua tính toán, thiết kế lựa chọn chi tiết số thiết bị với số liệu cụ thể thông dụng Cô đặc nồi dung dịch NaOH đồ án thực hướng dẫn nhiệt tình Th.S LÊ NHẤT THỐNG, môn Quá trình thiết bị - Khoa Máy Thiết Bị Hóa Học, trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình chu đáo thầy Lê Nhất Thống thầy môn Quá Trình va Thiết Bị người bạn giúp đỡ thực xong đồ án Vì đồ án đề tài lớn tôi, điều thiếu xót hạn chế tránh khỏi Mong đóng góp ý kiến , dẫn từ thầy bạn bè để củng cố thêm kiến thức chuyên môn Tôi xin chân thành cảm ơn người NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:………………………… …………………………………… Nội dung thực hiện:…………………… …………………………………………… Hình thức trình bày:…………………………………………………………………… Tổng hợp kết quả:……………………………………………………………………… Điểm số: …………………………………….Điểm chữ:…………………… Tp HCM, ngày Chủ nhiệm môn tháng năm Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:………………………… …………………………………… Nội dung thực hiện:…………………… …………………………………………… Hình thức trình bày:…………………………………………………………………… Tổng hợp kết quả:……………………………………………………………………… Điểm số: …………………………………….Điểm chữ:…………………… Tp HCM, ngày Chủ nhiệm môn tháng năm Giáo viên phản biện MỤC LỤC PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Thiết kế thiết bị cô đặc nồi để cô đặc dung dịch NaOH Nồng độ đầu: xđ = 12 % Nồng độ cuối: xc = 48 % Năng suất nhập liệu: Vđ = 2m3/h Nhiệt độ đầu nguyên liệu: chọn t0 = 30 0C Gia nhiệt nước bão hoà, áp suất at Áp suất ngưng tụ: pck = pc = 1at II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU Natri hydroxid NaOH nguyên chất chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy 318 oC sôi 1388 oC áp suất khí quyển.NaOH tan tốt nước (1110 g/l 20 oC) hoà tan tỏa nhiệt mạnh NaOH tan dung môi hữu methanol, ethanol… NaOH rắn dung dịch NaOH dễ hấp thụ CO từ không khí nên chúng cần chứa thùng kín Dung dịch NaOH base mạnh, có tính ăn da có khả ăn mòn cao Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị đảm bảo an toàn lao động trình sản xuất NaOH Ngành công nghiệp sản xuất NaOH ngành sản xuất hoá chất lâu năm Nó đóng vai trò to lớn phát triển ngành công nghiệp khác dệt,tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn Trước công nghiệp, NaOH sản xuất cách cho Ca(OH) tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu thường có nồng độ loãng, gây khó khăn việc vận chuyển xa Để thuận tiện cho chuyên chở sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến nồng độ định theo yêu cầu 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 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 đặc 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, CaCl 2, 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 DÙNG 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: • Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn • Có buồng đốt (không đồng trục buồng bốc) - Nhóm 2: 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 3: 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 thức 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 - Thiết bị chính: • 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 độ, áp suất… V LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH - 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 khí làm giảm nhiệt độ sôi dung dịch, giảm chi phí lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi theo bám lại thành thiết bị 10 c ; J/(kg.K) ; N.s/m2 3688 0,000696 3833 0,0008012 Trong đó: • λ – hệ số dẫn nhiệt; W/(m.K): tra bảng I.130, trang 135, [1] • ρ – khối lượng riêng; kg/m3: tra bảng 4, trang 11, [8] • c – nhiệt dung riêng; J/(kg.K): tra bảng I.154, trang 172, [1] • μ – độ nhớt động lực học; Ns/m2: tra bảng I.107, trang 100, [1] Chuẩn số Prandtl: Pr = = = 5,313 Prw = = = 4,39 Chọn tốc độ dung dịch NaOH 12 % ống truyền nhiệt v = m/s Đường kính ống truyền nhiệt d = 25 mm Chuẩn số Reynolds: Re = = = 34200,26 10000 ⇒ Áp dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt dòng chảy rối ống (Re > 10000): Nu = 0,021 Chọn l = 1m ⇒ = = 40 ⇒ = 1,02 ⇒ Nu = 0,021 = 195,28 = = = 4514,87 W/(m2.K) tv2 = 110 oC ⇒ = tc - tv2 = 116,95 – 110 = 5,95 oC ⇒ q2= α2.= 4514,87.5,95 = 26863,4765 W/m2) Nhiệt tải riêng phía tường Công thức tính: qv = (W/m2) Trong đó: Σrv – tổng trở vách ( m2.K/W) Σrv = r1 + + r2 = 0,3448.10-3 + + 0,387.10-3 = 0,9159.10-3( m2.K/W) Với: • r1= 0.3448.10-3 (m2.K/W)– nhiệt trở phía nước vách ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]) • r2 = 0,387.10-3 (m2.K/W) – nhiệt trở phía dung dịch vách ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2]) • δ = mm = 0,003 m – bề dày ống truyền nhiệt 41 λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ống làm thép không gỉ OX18H10T) Δtv = tv1 - tv2 ; K – chênh lệch nhiệt độ vách tường.Với trình cô đặc chân không liên tục, truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2 ⇒ Δtv = qv.Σrv = 28889,197.0,9159.10-3 = 26,5 oC Sai số tương đối q2 so với q1: 100% = 100 = - 7,014 % < 5% nên sai số chấp nhận (các thông số chọn phù hợp) • Nhiệt tải riêng trung bình: qtb = = = 27876,70 W/m2 Cân lượng 4.1.Cân nhiệt lượng Dòng nhiệt vào (W): Do dung dịch 30oC Do đốt Do ngưng đường ống dẫn đốt Dòng nhiệt (W): Do dung dịch 139oC Do nước ngưng Nhiệt tổn thất 4.2 Phương trình cân nhiệt G đcđ D φDct D Gccc D.c Q tt Gđcđ+ D.i”D + φDctD = Gccc+ D.cθ + Qtt Có thể bỏ qua nhiệt lượng nước bão hoà ngưng tụ đường ống dẫn đốt vào buồng đốt: φDctD = Trong nước bão hoà, có lượng nước ngưng bị theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm hơi) ⇒ Nhiệt lượng nước bão hoà cung cấp D(1 - φ)( i”D - cθ) (W) Nước ngưng chảy có nhiệt độ nhiệt độ đốt vào (không có lạnh sau ngưng) ( i”D - cθ) = rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ đốt) ⇒ D(1 - φ)( i”D - cθ) + Gđcđ= Gccc + Qtt Thay Qtt = εQD = 0,05QD Gđ =Gc =G ⇒ QD = D(1 - ε)(1 - φ)( i”D - cθ) = G(cc) ⇒ Lượng đốt biểu kiến: D = = 0,1299 (kg/s) Nhiệt lượng đốt cung cấp: QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD =0,1299.(1–0,05).(1-0,05).2171000 = 254516,64 (W) Diện tích bề mặt truyền nhiệt : 42 F = = = 9,13 m2 Số ống truyền nhiệt tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]: n= Trong : F = 9,13 – diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2) l = m – chiều dài ống truyền nhiệt d – đường kính ống truyền nhiệt Ta chọn d = dt = 30 mm Số ống truyền nhiệt là: n = = 96,92 Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 91 bố trí ống theo hình lục giác Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt tính theo công thức V.140, trang 49, [2]: D = t.(b-1) + 4.dn Trong đó: • dn = dt + 2S = 0,03 + 2.0,003 = 0,036 m – đường kính ống truyền nhiệt • t = β.dn = 1,4.0.031 = 0,0434 m – bước ống b = = = 11 ( b - số ống đường xuyên tâm lục giác) ⇒ D = 0,0434.(11-1) + 4.0,036= 0,578 m Thể tích bình gia nhiệt: V = l = 3,14 = 0,2622 m3 Dung dịch chảy chậm ống nên thời gian truyền nhiệt lớn, chọn số pass phía vỏ m = Thông số Ký hiệu DUNG DỊCH NaOH G xđ Suất lượng Nồng độ Nhiệt độ đầu vào Nhiệt độ đầu Nhiệt dung riêng đầu vào Nhiệt dung riêng đầu cđ cc HƠI ĐỐT Áp suất pD Nhiệt độ tD ẩn nhiệt ngưng tụ rD Chiều cao thiết bị gia nhiệt H Đường kính ống truyền nhiệt dt Đường kính ống truyền nhiệt dn Đơn vị Giá trị Kg/h %wt o C o C J/(kg.K) J/(kg.K) 2252,6 12 30 141,534 3671 3752 at C kJ/kg m m m 132,9 2171 0,03 0,036 o 43 Nhiệt lượng đốt cung cấp Lượng đốt biểu kiến QD D W Kg/s 254516,64 0,1299 II THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Chọn thiết bị ngưng tụ - Lượng khí bổ sung sinh thiết bị cô đặc bao gồm: • Hơi nước (chủ yếu) • Dung môi dễ bay • Khí không ngưng - Khí bổ sung cần giải phóng để tạo chân không Thiết bị ngưng tụ kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu - Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) Trong đó,nước làm lạnh nước ngưng tụ chảy xuống khí không ngưng bơm hút từ phần thiết bị qua phận tách lỏng - Chiều cao ống baromet chọn cho tổng áp suất thiết bị cột áp thuỷ tĩnh với áp suất khí Tính thiết bị ngưng tụ - Theo bảng VII.1, trang 97, [2]: nhiệt độ không khí trung bình TPHCM t = 27,2 0C độ ẩm tương đối φ = 77 % Theo giản đồ h – x không khí ẩm,h = 72,5 kJ/kg không khí ẩm - Nhiệt độ bầu ướt chọn tư = 23 oC Nhiệt độ đầu nước lạnh chọn t2d = 23 + = 26 oC - Với pc = at tc = 85,5 oC: Nhiệt độ cuối nước lạnh chọn t2c = tc – 10 = 99 – 10 = 89 oC - Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng không khí cần hút tính theo công thứcVI.47, trang 84, [2]: Gkk = 0,000025.W + 0,000025.Gn + 0,01.W; kg/s Trong đó: • Gn – lượng nước tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, tính theo công thức VI.51, trang 84, [2]: = Với: W = 1689,45 kg/h – lượng thứ vào thiết bị ngưng tụ i = 2677 kJ/kg – nhiệt lượng riêng nước (bảng I.251,trang314,[1]) cn = 4180 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình nước ⇒ Gn = = 4,107 kg/s ⇒ Gkk = 0,000025 + 0,000025,4,107 + 0,01 = 0,004807 kg/s - Đối với thiệt bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí tính theo công thức VI.50, trang 84, [2]: 44 tkk = t2d + + 0,1.(t2c – t2d) = 26 + + 0,1.(89 – 26) = 36,3 oC ⇒ ph = 0,057 at (tra giản đồ h – x không khí ẩm) -Thể tích không khí cần hút tính theo công thức VI.49, trang 84, [ 2]: Vkk = = = 0,004628 m3/s Kích thước chủ yếu thiết bị ngưng tụ: - Thông thường, suất tính toán chọn lớn 1,5 lần so với suất thực tế Khi đó, đường kính thiết bị tính theo công thức VI.52, trang 84, [2]: = 1,383 Trong đó: • ρh = 0,579 kg/m3 – khối lượng riêng thứ at (tra bảng I.251, trang 314, [1]) • ωh = 20 m/s – tốc độ thứ thiết bị ngưng tụ (chọn) ⇒ = 1,383 = 0,2784 m Chọn = 0,25 m = 250mm -Kích thước thiết bị ngưng tụ baromet chọn theo bảng VI.8, trang 88, [2]: Kích thước Đường kính thiết bị Chiều dày thành thiết bị Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị Bề rộng ngăn Khoảng cách từ tâm thiết bị ngưng tụ thiết bị thu hồi Chiều cao hệ thống thiết bị Đường kính thiết bị thu hồi Chiều cao thiết bị thu hồi Đường kính thiết bị thu hồi Đường kính cửa vào Nước vào Hỗn hợp khí vào Nối với ống baromet Hỗn hợp khí vào thiết bị thu hồi Hỗn hợp khí thiết bị thu hồi Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet ống thông thiết bị Ký hiệu Dtr S ao an b K1 Giá trị;mm 250 1000 900 675 K2 T D1 h1 D2 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 1300 150 1440 300 100 80 125 80 50 50 -Kích thước ngăn: Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt Chiều rộng ngăn 45 xác định theo công thức VI.53, trang 85, [2]: b = + 50 = 125 + 50 =175mm Có nhiều lỗ nhỏ đục ngăn, nước làm nguội nước nên đường kính lỗ chọn d = mm - Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ thứ: Nhiệt độ trung bình nước: ttb = = = 57,5 oC ⇒ ρn = 984,4 kg/m3 (bảng I.249, trang 310, [1]) ⇒ Vn = = = 0,004172 m3/s Chọn chiều cao gờ ngăn h = 40 mm, chiều dày ngăn δ = mm, tốc độ tia nước ωc = 2,62 m/s Tổng diện tích bề mặt lỗ toàn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ, nghĩa cặp ngăn là: f = = = 1,56 m2 Chọn tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ = 0,1 Các lỗ xếp theo hình lục giác Bước lỗ xác định công thức VI.55, trang 85, [2]: t = 0,866 = 0,866.2.0,10,5= 0,000548 m 0,00055m = 0,55mm Mức độ đun nóng nước: P = = = 0,863 Tra bảng VI.7, trang 86, [2] với d = mm P = 0,774: • Số ngăn n = • Số bậc n = • Khoảng cách ngăn h = 300 mm • Thời gian rơi qua bậc τ = 0,35 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 300 mm Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị 1000 mm Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị 900 mm Chiều cao phần gờ nắp 100 mm Chiều cao phần nắp ellipse 200 mm Chiều cao phần đáy nón 125 mm 46 ⇒ Chiều cao thiết bị ngưng tụ: H = 200+ 100 + 1000 + 300.4 + 900 + 125 = 3525 mm Kích thước ống baromet: - Chọn đường kính ống baromet d = 100 mm = 0,1 m - Tốc độ nước lạnh nước ngưng tụ chảy ống baromet tính theo công thức VI.57, trang 86, [2]: d = ⇒ = = = 0,06 m/s -Chiều cao ống baromet tính theo công thức II-15, trang 102, [4]: H’ = h1 + h2 + h3 + h4; m Chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h tính theo công thức VI.59, trang 86, [2]: h1 = 10,33 ; m : b- độ chân không thiết bị ngưng tụ ; mmHg b = 1at = 735,5 mmHg ⇒ h1 = 10,33 10 m Chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống h2 tính theo công thức VI.60, trang87, [2]: h2 = ( + λ + ∑ξ) ; m chọn hệ số trở lực vào ống ξ1 = 0,5 ống ξ2 = ⇒ ∑ξ = 1,5 Nước lạnh nước ngưng tụ có : ttb = 57,75 oC ρn = 984,4 kg/m3 μn = 0,000489 Ns/m2 ⇒ Re = = = 100654,4 10000 (chế độ chảy rối) 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]: Regh = 6.= 6.= 7289,343 Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 239201,5 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1.= 0,025 47 ⇒ h2 = = 0,00546 + 0,00055 H’ ; m Chọn chiều cao dự trữ h3 = 0,5 m để đề 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’ = 10 + 0,00546 + 0,00055.H’ + 0,5 + 0,5 ⇒ H’ = 11,0104 m Chọn chiều cao ống baromet H’ = 11 m Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị HƠI VÀO Nhiệt độ Enthalpy tc pc o C at 99 NƯỚC LÀM NGUỘI o Nhiệt độ đầu vào t2đ C o Nhiệt độ đầu t2c C Nhiệt dung riêng cn J/(kg.K) Lưu lượng khối lượng nước lạnh cần thiết nt Gn Kg/s Lưu lượng thể tích nước lạnh cần ngưng tụ Vn m3/s Áp suất bão hòa ph At KHÔNG KHÍ NGƯNG Lưu lượng khối lượng kk dc hút thiết bị Gkk Kg/s Lưu lượng thể tích không khí dc hút thiếtbị Vkk m3/s o Nhiệt độ tkk C ĐƯỜNG KÍNH TRONG T/B NGƯNG TỤ Tốc độ thứ m/s Đường kính Dtr mm KÍCH THƯỚC TẤM NGĂN Chiều rộng ngăn b mm Đường kính lỗ ngăn d mm Bề dày ngăn mm Bước lỗ t mm CHIỀU CAO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Mức độ đun nóng nước P Số ngăn z Cái Chiều cao H mm KÍCH THƯỚC ỐNG BAROMET Tốc độ nước lạnh nc ngưng chảy ống m/s Đường kính ống d mm Độ chân không b mmHg Chiều cao cột nước cân h1 m Hệ số trở lực vào ξ1 Hệ số trở lực ξ2 Khối lượng riêng nước lạnh nướcngưg Kg/m3 Độ nhớt động lực Ns/m2 Chuẩn số Reynolds Re 26 89 4180 4,107 0,004807 0,004172 0,004628 36,3 175 0,55 0,863 3450 0,06 100 735,5 11 0,5 984,4 0,000489 100654,3 48 Hệ số ma sát Chiều cao H ’ m 0,025 11 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 (mặt thoáng nồi cô đặc): + + = + + + Trong đó: • v1 = v2 = m/s • p1 = at • p2 = p0 = 1,033 at • ρ = 1096,05 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch NaOH 12 % ttb = 84,5 oC(bảng 4, trang 11, [8]) • μ = 0,008102 Ns/m2 – độ nhớt động lực dung dịch NaOH 12% ttb (bảng I.107,trang 100, [1]) • z2 - khoảng cách từ mặt thoáng dd nồi cô đặc đến mặt đất; m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = + 1,3 + + 0,03 + 0,1 = 4,43 m Với: z’ = m – khoảng cách từ phần nối ống tháo liệu đáy nón đến mặt đất Hđ = 1,296 + 0,04 = 1,3 m – chiều cao đáy nón Hbđ = m – chiều cao buồng đốt Hgc = 0,03 m – chiều cao gờ nón cụt Hc = 0,1 m – chiều cao phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 20 mm = 0,02 m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc l = 20 m Tốc độ dung dịch ống: v = = = 0,8846 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 119669,93 4000 (chế độ chảy rối) 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]: Regh = 6.= 6.= 1158,419 Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 49 Ren = = 220.= 39122,15 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1 = 0,021 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Đầu vào ξ vào Đầu ξ o Khuỷu 90 ξ khuỷu90 Van cửa ξ van Hệ số trở lực cục 0,5 1 1,5 Số lượng 1 ⇒ ξ = 10,5 ⇒ Tổng tổn thất đường ống: h1-2 = ( +ξ) = ( +) = 1,256m ⇒ khoảng cách từ mặ thoáng bồn cao vị đến mặt đất: = + + = 3,794 + + 1,256 = 4,74m ⇒ Dung dịch NaOH 12 % tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc nồi cô đặc bồn có độ cao từ 4,74 m trở lên Chọn khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất m IV BƠM 1.Bơm tháo liệu - Công suất bơm: N = ;kw Trong đó: • H – cột áp bơm; m • η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 • ρ = 1446,96 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch 134,654 oC (tra bảng 4,trang11,[8]) • Q – lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ; m 3/s Q = = = 0,000108 m3/s - Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) –2 (mặt thoáng nồi cô đặc): 50 + + = + + + Trong đó: • v1 = vhút = v; m/s • V2 = • p2 = po + + = 1,033+0,0336+ = 1,150 at • p1 = at • μ = 0,000245 Ns/m2 – độ nhớt động lực nước 134,654 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) • z1 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bể nước đến mặt đất • z2 = m – khoảng cách từ mặt thoáng thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m ⇒ vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = m Tốc độ dòng chảy ống: v = = = 0,344 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 92176,71 4000 (chế độ chảy rối) 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]: Regh = 6.= 6.= 1158,419 Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 39122,15 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1.= 0,062 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Đầu vào Đầu Khuỷu 90o Van cửa Ký hiệu ξ vào ξ ξ khuỷu90 ξ van Hệ số trở lực cục 0,5 1 1,5 Số lượng 1 ⇒ ξ = 8,5 ⇒ Tổng tổn thất đường ống: 51 h1-2 = ( +ξ) = ( +) = 0,145 m ⇒ Cột áp bơm: H = (z2 – z1) + + h1-2 - = (2 -1) ++ 0,145 = 2,17 m ⇒ N = = 0,0044 kw 2.Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị - Công suất bơm: N = ;kw Trong đó: • H – cột áp bơm; m • η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 • ρ = 1126,3 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch 30 oC (tra bảng 4,trang 11,[8]) • Q – lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ; m 3/s Q = = = 0,000278 m3/s - Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) –2 (mặt thoáng nồi cô đặc): + + = + + + Trong đó: • v1 = v2 = m/s • p1 = at • p2 = at • μ = 0,000182 Ns/m2 – độ nhớt động lực nước 30 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) • z1 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bể nước đến mặt đất • z2 = 3,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m ⇒ v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = m Tốc độ dòng chảy ống: v = = = 0,885 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 109535,77 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm 52 • Regh tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: Regh = 6.= 6.= 1158,419 • Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220.= 39122,15 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1 = 0,0015 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Đầu vào ξ vào Đầu ξ o Khuỷu 90 ξ khuỷu90 Van cửa ξ van ⇒ ξ = 7,5 Hệ số trở lực cục 0,5 1 1,5 Số lượng 1 ⇒ Tổng tổn thất đường ống: h1-2 = ( +ξ) = ( +) = 0,32 m ⇒ Cột áp bơm: H = (z2 – z1) + + h1-2 = (3,5 -2) + 0,32= 1,82m ⇒ N = = 0,0075 kw Chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, bẩn Ký hiệu bơm K V CÁC THIẾT BỊ PHỤ Cửa sửa chữa Vật liệu chế tạo thép CT3 Đường kính cửa sửa chữa D = 500 mm Cửa bố trí cho mép cao mặt thoáng dung dịch buồng bốc để chất lỏng không chảy Chọn khoảng cách từ mép cửa 53 đến mặt thoáng dung dịch 0,45 m ⇒ Khoảng cách từ mực chất lỏng đến tâm cửa sửa chữa: h = 0,45 + =0,7m Kính quan sát Vật liệu chế tạo thép CT3 Đường kính quan sát D = 230mm Kính bố trí cho mực chất lỏng nhìn thấy Do đó, có kính giống bên buồng bốc, tạo thành 180o KẾT LUẬN Các phần tính toán cho thấy : - - Hệ thống cô đặc nồi liên tục dung dịch NaOH với suất nhập liệu 2000 kg/h đơn giản Vì suất không cao nên kích thước thiết bị mức độ vừa phải Kết cấu thiết bị đơn giản Vì nhìn chung hệ thống phù hợp với quy mô vừa nhỏ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nhiều tác giả, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa tập 1, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [2] Nhiều tác giả, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [3] Phạm Văn Bôn, Quá trình thiết bị công nghệ hóa học thực phẩm,tập 10 [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 [6] Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế 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 [8] Bộ môn Máy thiết bị, Bảng tra cứu Qúa trình học – Truyền nhiệt – Truyền khối, NXB ĐHQG TPHCM, 2009 [9] Sách Quá trình thiết bị Truyền Nhiệt , Khoa máy thiết bị hóa học, Trường ĐHCN TPHCM,2011 55 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Đề Tài TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaOH Giảng viên hướng dẫn:... lý thiết bị cô đặc IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG 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. .. dung dịch NaOH 12% trước sau qua thiết bị gia nhiệt: tvào = 30 oC tra = tsdd(po) = 116,86 oC ⇒ Nhiệt độ dung dịch NaOH 12 % vào thiết bị cô đặc tđ = 116,86 oC ⇒ Nhiệt độ dung dịch NaOH 48 % đáy thiết