Đồ án Tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi dung dịch KOH môn Quá trình và thiết bị | Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh

Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa CNHH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC --- ---
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH KOH GVHD : Hồ Tấn Thành SVTH : Phạm Minh Quốc Lớp : 09DHVL MSSV : 2026181018
TP. Hồ Chí Minh ngày 20 tháng 1 năm 2022 LỜI CẢM ƠN
Đồ án Quá trình và Thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và
thiết bị của công nghệ hóa học. Bên cạnh đó, còn giúp sinh viên tiếp cận thực tế thông qua
tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một số thiết bị với các số liệu cụ thể và thông dụng.
Cô đặc một nồi dung dịch KOH là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của
Thầy Hồ Tấn Thành, Khoa Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm
TP.HCM. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và chu đáo của Thầy Hồ Tấn Thành
cũng như các thầy của bộ môn Quá Trình và Thiết bị đã giúp đỡ em thực hiện xong đồ án này.
Quá trình làm bài có thể có thể có những thiếu xót và hạn chế là không thể tránh khỏi. Em
mong được sự đóng góp ý kiến, chỉ dẫn từ các Thầy (Cô) để củng cố thêm kiến thức chuyên môn.
Em xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, 20 tháng 1 năm 2022 Sinh viên thực hiện Phạm Minh Quốc
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Sinh viên: Phạm Minh Quốc. MSSV: 2026181018 Nhận xét:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
............................................................................................................................................... Điểm đánh giá:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
Ngày…tháng… năm 2022. ( Ký, ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Sinh viên: Phạm Minh Quốc. MSSV: 2026181018 Nhận xét:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
............................................................................................................................................... Điểm đánh giá:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
Ngày…tháng… năm 2022. ( Ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN..............................................................iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN..................................................................iv
MỤC LỤC.........................................................................................................................v I.
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN......................................................................................................1
II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU............................................................................1
III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC.......................................................................................1
1. Định nghĩa......................................................................................................................1
2. Các phương pháp cô đặc................................................................................................2
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt.....................................................................................2
4. Ứng dụng của sự cô đặc.................................................................................................2
IV. THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT...........................2
1. Phân loại và ứng dụng....................................................................................................2
2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc..................................................................3
V.LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH KOH.............................................4
VI.THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ........................................................4
1. Quy trình........................................................................................................................4
2. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc.................................................................................4
3. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm.......................................................4
PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG .....................6
I. DỮ KIỆN BAN ĐẦU....................................................................................................6
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT............................................................................................6
1. Suất lượng tháo hiệu.......................................................................................................6
2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên............................................................................................6
III. TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ...........................................................................................6
1.Tổn thấp nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)....................................................................6
2. Phương trình cân bằng nhiệt…………………………………………………………..10
PHẦN 3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH...................................................................11
I. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC...................................11
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi..................................................................................11
2.Nhiệt tải riêng phía tường..............................................................................................12
3. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi...................................................13
4. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng..................................................................................14
5. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc....................................................15
6. Diện tích bề mặt truyền nhiệt.......................................................................................15
II. TÍNH KÍCH THƯỚC CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC..................................................16
1. Tính kích thước buồng bốc...........................................................................................16
1.1. Đường kính buồng bốc (Db)......................................................................................16
1.2. Chiều cao buồng bốc (Hb)…………………………………………………………..18
2. Tính kích thước buồng đốt...........................................................................................18
2.1. Số ống truyền nhiệt...................................................................................................18
2.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth)…………………………………………18
2.3. Đường kính buồng đốt...............................................................................................19
2.4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt..................................................................................20
3. Tính kích thước các ống dẫn........................................................................................20
3.1. Ống nhập liệu............................................................................................................20
3.2. Ống tháo liệu.............................................................................................................21
3.3. Ống dẫn hơi đốt.........................................................................................................21
3.4. Ống dẫn hơi thứ.........................................................................................................22
3.5. Ống dẫn nước ngưng.................................................................................................22
3.6. Ống dẫn khí không ngưng.........................................................................................22
III. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC.............22
1.Tính cho buồng đốt.......................................................................................................22
1.1 Sơ lược về cấu tạo......................................................................................................22
1.2 Tính toán....................................................................................................................22
2. Tính cho buồng bốc......................................................................................................24
3. Tính cho đáy thiết bị.....................................................................................................29
4. Tính cho nắp thiết bị:...................................................................................................34
5. Tính mặt bích...............................................................................................................36
5. 1.Sơ lược về cấu tạo......................................................................................................36
5.2. Chọn mặt bích...........................................................................................................36
6. Tính vỉ ống...................................................................................................................36
6.1.Sơ lược về cấu tạo......................................................................................................38
6. 2.Tính toán....................................................................................................................38
7. Khối lượng và tai treo...................................................................................................38
7.1. Buồng đốt..................................................................................................................40
7.2. Buồng bốc.................................................................................................................41
7. 3.Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt........................................................41
7.4. Đáy nón.....................................................................................................................42
7.5. Nắp ellipse.................................................................................................................42
7.6. Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm............................................................43
7.7.Mặt bích.....................................................................................................................43
7.8.Bu lông và ren............................................................................................................44
7. 9.Đai ốc.........................................................................................................................46
7.10. Vỉ ống......................................................................................................................47
PHẦN 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ.......................................................................48
I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT..............................................................................................49
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi..................................................................................49
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi...................................................49
3. Nhiệt tải riêng phía tường.............................................................................................50
4. Cân bằng năng lượng....................................................................................................51
4. 1.Cân bằng nhiệt lượng.................................................................................................51
4.2. Phương trình cân bằng nhiệt......................................................................................51
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ............................................................................................53
1. Chọn thiết bị ngưng tụ..................................................................................................53
2. Tính thiết bị ngưng tụ………………………………………………..………………...54
II. BỒN CAO VỊ.............................................................................................................59
IV. BƠM..........................................................................................................................61
1.Bơm tháo liệu................................................................................................................61
2.Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị................................................................63
V. CÁC THIẾT BỊ PHỤ................................................................................................64
1. Cửa sửa chữa................................................................................................................64
2 . Kính quan sát...............................................................................................................65
PHẦN 5. TÍNH GIÁ THÀNH ......................................................................................66
KẾT LUẬN ....................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................68
PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Thiết kế thiết bị cô đặc một nồi để cô đặc dung dịch KOH.
Nồng độ đầu: xđ = 15 %.
Nồng độ cuối: xc = 37 %.
Suất lượng nhập liệu: Gđ = 2600 kg /h.
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 15 oC.
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất P = 15 atm. Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,5 atm.
II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
Kali hydroxide (công thức hóa học: KOH) là một kiềm mạnh có tính ăn mòn, tên thông dụng
là potash ăn da. Nó là một chất rắn kết tinh màu trắng, ưa ẩm và dễ hòa tan trong nước. Phần
lớn các ứng dụng của chất này đều do độ phản ứng của nó đối với axit và tính ăn mòn.
Năm 2005, ước tính toàn cầu sản xuất 700.000–800.000 tấn hợp chất này, ước tính sản lượng
hàng năm của NaOH cao gấp 100 lần KOH[3]. KOH là tiền chất của phần lớn xà phòng lỏng
và mềm cũng như các hóa chất có chứa kali khác. Sản phẩm này tồn tại dưới dạng tinh thể
không màu, có tnc = 404oC, ts= 1324 ℃.
KOH có các đặc điểm sau:
Dễ hòa tan trong nước và phát nhiệt rất mạnh, chỉ khoảng 20 độ C, với 100g nước có thể hòa tan được 112g KOH.
Thuộc vào nhóm kiềm mạnh, hấp thụ nước và CO2 trong không khí tạo thành muối kali cacbonat (K2CO3).
Dung dịch Kaly hidroxit ăn mòn được thủy tinh, ở dạng nóng chảy thì ăn mòn sứ (trong môi
trường tồn tại không khí), platin.
Là 1 bazơ mạnh nên nó mang đầy đủ tính chất hóa học của 1 bazơ như tác dụng với axit tạo
thành muối và nước,....
Làm đổi màu chất chỉ thị (quỳ tím hóa xanh, phenolphtalin không màu hóa hồng) khi ở dạng lỏng
KOH tác dụng với oxit axit tạo thành muối
Kali hydroxit phản ứng trao đổi với dung dịch muối (sản phẩm phải có kết tủa)
KOH tác dụng với axit tạo muối và nước
Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá 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 hoá dầu, sản xuất phèn...
III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC 1. Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2
hai nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch
nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay
hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay
không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn)
bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.
2. Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới
tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng
tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tuỳ
tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra
ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần
mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết
ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng
lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt
và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới
đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ
ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
4. Ứng dụng của sự cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…Trong
sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như
một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt
động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát
triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải
có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho
người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các
nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
IV. THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
1. Phân loại và ứng dụng 1.1. Theo cấu tạo
- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này có thể
cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm: •
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. •
Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)
- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc nhóm này
dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt.Ưu điểm
chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt
cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm: •
Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài. •
Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép
dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác
dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp cho các
dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm: •
Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ. •
Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.2. Theo phương thức thực hiện quá trình -
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thườngđược dùng
trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và
thời gian cô đặc ngắn nhất. -
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chânkhông.Dung
dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục. -
Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớnvì nó
làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả
hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. -
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tựđộng
nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy. Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế
buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện kỹ
thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp
suất thường hoặc áp suất dư.
2. Các thiết bị và chi tiết trong 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: hơi đốt, hơi 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 KOH -
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật củađầu đề,
người viết lựa chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục có buồng đốt trong và ống
tuần hoàn trung tâm. Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa. -
Cô đặc ở áp suất chân khí quyển làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chiphí năng
lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị). -
Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ(vì ống
tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp.
VI. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1. Quy trình
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch KOH có nồng độ 15 %. Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu
được bơm lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị
gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong
gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống được giữ chặt trên
vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 15 at đi
bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hoà ngưng
tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên
nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá
trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài.
2. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung
tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài
ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống.
Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp
để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi.
3. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm
Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có
khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể
tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên
lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp
lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống
dưới. Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống
truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng. Hơi thứ đi lên
phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng. Giọt lỏng
chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn lưu.
Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ
bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị
ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn
trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên
gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet.
Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách
giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của
hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết
bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải
được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không
cần bơm. Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo
dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.
PHẦN 2. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
I. DỮ KIỆN BAN ĐẦU •
Nồng độ đầu: xđ = 15 % •
Nồng độ cuối: xc = 37 % •
Suất lượng nhập liệu: Gđ = 2600 kg /h •
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 15 oC •
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 15 atm = 15,498 at •
Áp suất ngưng tụ: pck = 0,5 atm = 0,5166 at
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1. Suất lượng tháo liệu (Gc)
Khối lượng riêng của dung dịch KOH 15 % ở 15 oC: ρđ = 1140 kg/m3 (tra bảng 1.21, trang 33, [1]).
Theo công thức 5.16, trang 195, [5]: Gđ .xđ = Gc.xc Gđ . xđ 2600.15 => Gc =
x = 37 = 1054,0541 kg/h c
2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên
Theo công thức 5.16, trang 195, [5]: Gđ = W + Gc
=> W = Gđ - Gc = 2600 - 1054,0541 = 1545, 9459 kg/h
Tsdd (po) = Δ’+ tsdm = 9,17 + 82,66 = 91,83 oC.
III. TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
1. Tổn thấp nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)
- Gọi ptb – áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa dung dịch NaOH cần cô đặc, N/m2. ℎ2 ρ .g ( N/m2
) ( Công thức V.12, trang 60,[2]) p dd
tb = pO + ( h1 + ). 2 Trong đó:
ρdd – khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi (kg/m3 )
Chọn tsdd (po+ Δp) = 95 oC, C% = xtb = 26 %, ta có ρdd = 1847,4515 (kg/m3) (Tra công
thức 8-1 trang 185, [12]và bảng 8.1 trang 208, [12] )
h2 – chiều cao ống truyền nhiệt ; m. Chọn h2 = 1,5 m.(bảng VI.6,trang 80,[2].
h1 – chiều cao thích hợp của dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng (m). Chọn h1 = 0,3 m.
g – gia tốc trọng trường. pO – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2. ℎ2 ρdds .g ⇒ ptb = pO + ( h1 + ). 2 (0,3+ ).1847,4515.9,81 = 0,54 + [ 2 ] = 0,734(at) 9,81.104
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ptb = 0,734 at tương ứng với tsdm(ptb) = 90,56 0C
⇒ Δ’’ = tsdm(ptb) - tsdm(po) = 90,56 - 82,66 = 7,9 0C ⇒ tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 91,83 + 7,9 =
99,73 0C Vậy tsdd(ptb) = 99,73 oC.
Tổng tổn thất nhiệt độ:
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ ΣΔ = 9,17 + 7,9 + 1 = 18,07 oC
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 15,498 at, tD = 198,89 oC. (bảng I.251, trang 315, [1]).
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67,[2]. Δthi = tD – tstb Trong đó:
tstb – là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch.
tstb = ΣΔ + tw = 18,07 + 81,66 = 99,73 oC tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi 0C. tw – nhiệt độ hơi
thứ của thiết bị ngưng tụ 0C.
ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, oC.
⇒ Δthi = 198,89 – 99,73 = 99,16 oC Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Nồng độ đầu Xđ % 15 Nồng độ cuối Xc % 37 Năng suất nhập liệu Gđ Kg/h 2600 Năng suất tháo liệu Gc Kg/h 1054,0541 Hơi thứ Suất lượng W Kg/h 1545, 9459 Áp suất P0 At 0,54 Nhiệt độ tw 0C 81,66 Enthalpy iw kJ/kg 2643,3217 Ẩn nhiệt hóa hơi rw kJ/kg 2302,7913 Hơi đốt Áp suất pD at 15,4966 Ẩn nhiệt ngưng tụ rD kJ/kg 1949,526 Nhiệt độ tD 0C 198,89 Nhiệt lượng riêng iD kJ/kg 2796,9933
Tổn thất nhiệt độ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po tsdd (po) 0C 91,83
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ 0C 9,17 Áp suất trung bình (ptb) at 0,734
Nhiệt độ sôi ở dung môi ở po tsdm (ptb) 0C 90,56
Tổn thất nhiệt do cột thủy tĩnh Δ’’ 0C 7,9
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd (ptb) 0C 99,73
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ 0C 1
Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ 0C 18,07
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi 0C 99,16
IV. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
1. Cân bằng nhiệt lượng Dòng nhiệt vào (W):
Do dung dịch đầu Gđcđtđ Do hơi đốt
φDctD Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt D.iD Dòng nhiệt ra (W):
Do sản phẩm mang ra Gccctc Do hơi thứ mang ra W.iW Do nước ngưng D.cntD Nhiệt tổn thất Qtt
Nhiệt độ của dung dịch KOH 15% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: tvào = 15 o C tra = tsdd(po ) = 91,83 o C
⇒ Nhiệt độ của dung dịch KOH 15 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 91,83 o C ⇒ Nhiệt độ
của dung dịch KOH 48 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:
tc = tsdd(po ) + 2Δ’’ = 91,83 + 2.7,9 = 107,63 o C (Công thức 4.15, trang 183, [3] ) Nhiệt
dung riêng của dung dịch KOH:
Nhiệt dung riêng của dung dịch KOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức
(I.43) và (I.44), trang 152, [1] : a = 15 % (a < 0,2):
Ta có: cđ = 4186.(1 - a) = 4186.(1 - 0,15) = 3558,1 J/(kg.K) = 3,5581 kJ/(kg.K) a = 37% (a > 0,2):
Ta có: cc = cht.a + 4186.(1 - a)
Trong đó: cht là nhiệt dung riêng của KOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng
I.141, trang 152, [1] : cht =
CK .1+MC o .1+CH .1 = 26000+1680056 +9630 = 936,25 J/kg.K KOH
=> cc = 936,25.0,37 + 4186.(1 - 0,37) = 2983,5925 J/kg.K = 2,9836 kJ/(kg.K)
2. Phương trình cân bằng nhiệt
Gđcđtđ + D. i D + φDctD = Gccctc + W. i W + D.cθ + Qtt (*)
(Công thức 5.18 trang 197, [5] )
Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDctD = 0.
Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ
= 0,05 (độ ẩm của hơi).
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( iD - cθ) (W)
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau
khi ngưng) thì ( iD - cθ) = rD = 1956 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).
(*) ⇒ D(1 - φ)( iD - cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W iW + Qtt (**) Thay Qtt = εQD = 0,05QD :
(**) ⇒ QD = D(1 - ε)(1 - φ)( iD - cθ) = Gđ(cctc - cđtđ) + W( iW - cctc) ⇒ Lượng hơi đốt biểu kiến: W (i
D = Gđ (cc t c −cđ t đ)+ ¿¿ D −cc t c)¿
(1−ε) (1−φ )r D = = 2161,3658 (kg/h).
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD = 2161,3658.(1–0,05).(1-0,05).1949,526 = 3802809,037 kJ/h = 1056335,844 W
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng: D2161,3658
d = W = 1545,9459 = 1,3981 (Kg hơi đốt/ Kg hơi thứ). Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ vào buồng bốc tđ O C 91,83
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt tc O C 107,63
Nhiệt dung riêng dung dịch 15% cđ kJ/(kg.K) 3,5581
Nhiệt dung riêng dung dịch 37% cc kJ/(kg.K) 2,9836 Nhiệt tổn thất Qtt W 52816,7922
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 1056335,844
Lượng hơi đốt dự kiến D Kg/h 2161,3658
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng d Kg/kg 1,3981
PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I . TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia
làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước ngưng chảy màng (do ống
truyền nhiệt ngắn có h0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên bề mặt đứng.
Công thức (V.101), trang 28, [2] được áp dụng: = 2,04.A. r ( ) 0,25 α1 H .∆t1 Trong đó:
α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m 2 .K).
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 15,498 at (1949526 J/kg).
H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5 m).
A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm.
∆t1= t D −tv: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt tường
tiếp xúc với hơi ngưng, o C
tm = t D+t v 1 2
Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là t = 188,4 0 C. v 1 => tm = = 193,645 0 C.
Tra A ở [2], trang 29: tm ( o 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 C) A 104 120 139 155 169 179 188 194 197 199 199 => A = 199
∆t1= 198,89 − 188,4 = 10,49 0 C.
⇒ α1 = 2,04.199.( 1949526 )0,25 = 7616,384 W/(m 2 .K)
1,5.10,49 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q1 = α1.∆t1 = 7616,384.10,49 = 79895,868 W/m 2 .
2. Nhiệt tải riêng phía tường Công thức tính: ∆t v qv= Σr v Trong đó:
Σ rt là tổng trở tường m2 .K/W δ
Σ rv= λ +r1+r2 với: 1 −3 2
r1=2900=0.3448.10 m . K /Wlà nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng
nước ngưng (bảng 31, trang 29, [10] )
r2=0,387.10− 3m2 .K /W là nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp cặn bẩn dày
0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2 ]).
δ=2mm=0,002m bề dày ống truyền nhiệt (tự chọn) λ=12,5W /(m. K) là hệ số dẫn nhiệt của ống
(tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ống được
làm bằng thép không gỉ OX2IH6M2T). 0,002 −3 −3 − 3 2
→Σ r v= 12,5 +0.3448.10 +0,387.10 =0,8918.10 m .K /W ∆t
là chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường.Với quá trình cô đặc liên tục, sự truyền
v=tv 1−t v 2
nhiệt ổn định nên qv=q1=79895,868W /m2
→∆t v=qv .Σrv=79895,868.0,8918.10−3=71,251o C
→t v2=tv 1 −∆t v=188,4−71,251=117,149o C
→∆t2=t v2−t sdd (Ptb )=117,149−99,73=17,419oC 3. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi
Theo công thức trang 71, [2] : λdd 0,565 ρdd 2 cdd μdm 0,435 2 [ )] α ) ( ) ) 2=α dd=αn .( λdm . ρdm
.( cdm .( μdd ;kcal/h.m . K
Mà 1kcal/h=4,184.
J /s=1,162W 0,565 2 0,435 λdd )[ )]
. ( ρdd ) .( cdd ).( μdm
.1,162;W /m2 .K
→α2=α n.λdm ρ dm cdm μdd Trong đó:
α là hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt nên n α
được tính theo công thức V.91 trang 26, [2]: ,33 n
α n=0,145.∆t22 . p0,5
p=Po=0,54 at=52955,91N/m2 (Pa)
→αn=0,145.17,4192,33 .52955,910,5=25996,167W /(m2. K ) Tra bảng I.249 và nội suy, trang 311,
[1] theo t sdm (Ptb)=90,56o C λdm=0,6801W /(m .K ) là hệ số dẫn nhiệt của nước ở t sdm (Ptb)
ρdm=964,908kg/m3 là khối lượng riêng của nước ở t sdm (Ptb)
cdm=4278,16J /(kg.K ) là nhiệt dung riêng của nước ở t sdm (Ptb) μdm=0,3129.10− 3Pa.s là độ nhớt
của nước ở t sdm (Ptb)
Theo t sdd (Ptb)=99,73o C:
Dựa vào công thức (3-1) trang 56 và tra bảng 3.2 trang 79, [12] :
c KOH=1453,1645J /(kg.K) là nhiệt dung riêng của KOH khan ở t sdd (Ptb) Dựa vào công thức
(I.44) trang 152, [1] :
cdd = cKOH.x + 4186(1-x) = 1453,1645.0,37 + 4186(1-0,37) = 3174,8509 J/(kg. K)
Dựa vào công thức 8-1 trang 185 và bảng 8.1 trang 208, [12] tính được ρ . Tra bảng KOH
I.249 và nội suy, trang 311, [1] được khối lượng riêng của dung môi nước. Áp dụng công
thức (I.2) trang 5, [1] để tính ρ :
dd ρdd =1165,8918kg/m3 là khối lượng riêng của dung dịch ở t sdd (Ptb)
Dựa vào công thức 22-1 trang 478 và tra bảng 22-2 trang 501, [12] tra được độ nhớt của
KOH( 43,2224.10 -3 Pa.s).Tra bảng I.249 và nội suy, trang 311, [1], tra được độ nhớt của
dung môi nước( 0,2818.10 -3 Pa.s) Dựa vào công thức (1) trang 2, [6] tính được độ nhớt của dung dịch: μ
được tính theo công thức trang
dd =16,1705.10− 3Pa.s là độ nhớt của dung dịch ở t sdd (Ptb) λdd 123, [1] : √
λdd=A.cdd . ρdd 3 ρMdd
A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng.
Đối với chất lỏng liên kết A=3,58.10− 8
M là khối lượng mol của hỗn hợp lỏng KOH và H2O
M=a. M KOH +(1−a).M H2O (a là phần mol của KOH) Nồng độ KOH trong dung dịch là 37% (xc ¿: