Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU 3
PHẦN 2. SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 6
PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7
I. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 7
II. Lượng hơi thứ mỗi nồi 7
III. Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi 8
IV. Chênh lệch áp suất chung 8
V. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 8
VI. Nhiệt độ t’i (oC), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi 9
VII. Tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 11
1. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao ∆i” : 11
2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆i’ 13
3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống 14
VIII. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 15
1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi 15
2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống 15
3. Bảng tổng hợp số liệu 2 15
IX. Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ Wi [kg/h] 16
1. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 16
2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng 16
3. Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi 18
4. Bảng tổng hợp số liệu 3: 18
X. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 19
1. Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi 19
2. Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt 21
3. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1 22
4. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2 24

II. Xác định đường kính trong buồng đốt 38
III. Chiều dày phòng đốt 39
1. Kiểu buồng đốt 39
2. Tính chất cơ học của vật liệu 39
3. Các số liệu 40
4. Chiều dày phòng đốt 41
5. Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử 41
IV. Tính chiều dày lưới đỡ ống 41
1. Để đáp ứng yêu cầu 1 42
2.Để đáp ứng yêu cầu 4 42
3. Để đáp ứng yêu cầu 2 42
4. Để đáp ứng yêu cầu 3 42
V. Chiều dày đáy lồi phòng đốt 43
VI.Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép bích đáy 45
B. Buồng bốc hơi 45
I.Thể tích buồng bốc hơi 45
II.Tính chiều cao phòng bay hơi 46
III.Chiều dày phòng bốc 46
IV. Chiều dày nắp buồng bốc 47
IV.Tra bích để lắp đáy, nắp và thân buồng bốc 49
C. Một số chi tiết khác 49
I. Đường kính các ống nối dẫn hơi và dung dịch vào và ra thiết bị 49
1. Ống d ẫn hơi đốt vào 49
2. Đối với ống dẫn dung dịch vào : 50
3. Đối với ống dẫn hơi thứ ra 51
4. Đối với ống dẫn dung dịch ra 52
5. Đối với ống tháo nước ngưng 52
II. Tính và chọn tai treo 53
1 Tính Gnk 53
2. Tính Gnd 56

kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt ngoài làm việc liên
tục với dung dịch NaCl, năng suất 16000 kg/h, nồng độ dung dịch ban
đầu 10%, nồng độ sản phẩm 25%.
Quá trình cô đặc
Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan
(không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. Đặc điểm của quá

3
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
trình cô đặ là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn
chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung
chất sẽ tăng dần lên. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô
đặc gọi là hơi thứ. Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng
một thiết bị khác. Nếu hơi thứ dùng để đun nóng một thiết bị khác
ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ.
Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do
đó có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều
nồi : Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở
nồi nay được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ
hai sẽ được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ ba, hơi thứ ở nồi cuối
trong hệ thống được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần
lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng
dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc nhiều nồi
được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật
của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ
chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ của
nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồi trước nên đọ

đổi nhiệt (7). Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ
đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (1). Ở nồi (1), dung dịch tiếp tục được
đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong
các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng
dung dịch. Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí
không ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo
nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi
là hơi thứ. Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách
bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn
bọt.
Dung dịch từ nồi (1) tự di chuyển sang nồi thứ hai do đó sự chênh
lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi
trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau, do đó dung dịch di
vào nồi (2) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi ; kết quả là dung dịch sẽ
được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng
nước gọi là quá trình tự bốc hơi.
Dung dịch sản phẩm ở nồi (2) được đưa vào thùng chứa sản phẩm
(11). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (2) được đưa vào thiết bị ngưng tụ
Baromet (thiết bị ngung tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao).

6
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ
được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet (10) ra ngoài còn
khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi vào bơm hút chân
không (12)
*Chú thích:
1, 2 : nồi cô đặc

c
)=8700[1-0.1/0.28]=5592.86[kg/h]
II. Lượng hơi thứ mỗi nồi.

7
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở hai nồi là như
nhau.
Vậy W
1
= W
2
= W/2 = 5592.86/2 = 4800 (kg/h).
III. Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi.
Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 là x
c1
.
Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 là x
c2
.
Từ (1) ta có x
c1
= G
đ
.
1
W−
d

∆p = p
1
– p
ng
, at
thay số ta có : ∆p = 4 – 0.19 = 3.81at
V. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi
a)Áp suất
Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi:
∆p
1
: ∆p
2
= a
1
:a
2
= 2,6:1.
∆p
i
=
∑
=
−
∆
2
1
1
.
j

Áp suất hơi đốt từng nồi được tính:
P
i
= p
i-1
- ∆p
i-1
at 4[5-9] (3)
Thay số vào (3) ta có p
2
= p
1
- ∆p
1
= 4 – 2,752 = 1,248 at
p
1
= 4 at
b) Nhiệt độ hơi đốt T (
0
C), nhiệt lượng riêng i (J/kg), nhiệt hoá
hơi r(J/kg) :
Tra bảng (I-251) trong [1 - 314] theo áp suất, ta có
tại p
1
= 4 at ta có:
T
1
= 142,9
0

ng
= 0,19 at ta có
T
ng
= 58,48
0
C
VI. Nhiệt độ t
’

i

(
o
C), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi.
a) Nhiệt độ
Theo công thức: t
i
’
= T
i+1
+ ∆
i
”’
,
0
C
(4)
∆
i

C
Áp suất, nhiệt lượng riêng, nhiệt hoá hơi của hơi thứ trong mỗi nồi
Tra bảng (I-250) trong [1 –312] theo nhiệt độ
Tại t
1
’
= 106,28
0
C Ta có
p
1
’
= 1,29 at
i
1
’
= 2689,3.10
3
J/kg
r
1
’
= 2244,42.10
3
J/kg.
Tại t
2
’
= 59,48
0

-3
J/kg
P
’
at
t
’
o
C
i
’
.10
-3
J/kg
r
’
.10
-3
J/kg
x
1 4 142,9 2744 2141 1,29
106,2
8
2689,
3
2244,4
2
14,74
2
1,24

công thức [3-283]
p
tb
= p
0
+ 0,5. (h
1
+H/2) ρ
dd
.g , N/m
2
(5)
p
0
: Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch , N/m
2
*) Nồi 1
p
01
= p
’
1
= 1,29at = 194238 N/m
2

*) Nồi 2
p
02
= p
’

dd2
(25
o
C)

= 1,26675.10
3
kg/m
3
Vậy : ρ
dd1
= 1,1356.10
3
/ 2 = 567,8 kg/m
3
ρ
dd2
= 1,26675.10
3
/ 2 = 633,375 kg/m
3

11
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Thay số vào công thức (5) ta có :
*) Nồi 1
p
tb1

98100.2
81,9.375,633

= 0,246 at
b) Nhiệt độ trunh bình ứng với p
tb

Tra bảng (I-251) trong [1- 314] theo áp suất và nồng độ ở
trên ta có :
*) Nồi 1
t
tb1
= 107,184
0
C
*) Nồi 2
t
tb2
= 63,84
0
C
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao được xác định
theo công thức :
[2-60] , ∆
i
”
= t
tbi
– t
0i


∑
∆
2
1
"
i
= ∆
1
”
+ ∆
2
”
= 4.36 + 0,904 = 5,264
0
C
2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
∆
i’.
Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi nguyên chất
[2- 59] ∆
’
i
=16,2
'
2
0
'
.

'
i
:nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho
T
'
1
=106,28+273=379,28
0
K
T
'
2
= 59,48+273
0
K
r
'
1
=2244,42.10
3
.(J/kg)
r
'
2
=2358,075.10
3
(J/kg)
∆
'
1

0
C

13
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
b) Hệ số hiệu chỉnh f
f là hệ số hiệu chỉnh tra bảng (VI –1) trong [2- 59]
theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất
Theo bảng (I-197) trong [1- 272] thì :
Tại p
1
’
= 1,98 at thì t
s1
= 142,9
0
C
Tại p
2
’
= 0,212 at thì t
s2
= 99,2
0
C
Vậy ta có :
*) Nồi 1
f

'
i
=∆
1
’
+ ∆
2
’
= 3,9 + 7 = 10,9
0
C
3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống
Ở trên ta đã giả thiết ∆
”’
trong mỗi nồi bằng nhau và bằng 1 do
đó cả hệ thống thì :

∑
∆
’’’
= 1 + 1 = 2
o
C
4. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là

14
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-


”
,
o
C [3-283]
(8)
Thay số vào (8) ta có :
*) Nồi 1
t
s1
= 106,28+1,3436+0,904 = 108,5276
o
C
*) Nồi 2
t
s2
= 59,48 + 2,02 + 4,36 = 65,86
o
C
b)Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi
[5-103] ∆ T
i
= T
i
– t
si
,
0
C (9)
Thay số vào (9) ta có :
*) Nồi 1

0
C
∆T
0
C
t
s
0
C

15
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
1
1,34
4
0,90
4
1
34,3
7
108,5276
2 2,02 4,36 1
39,4
2
65,86
IX. Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ W
i
[kg/h]

1
i
2
+(G
đ
–W
1
) C
1
t
s1
= W
2
i
2
’

+(G
đ
–W
1
-W
2
)
C
2
t
s2
+W
1

1
C
ncθ2
(G
đ
–W
1
) C
1
t
s1
W
1
i
1
’
W
1
t
1
i
2

W
2
i
2
’
(G
đ

-C
2nc
.
θ
)
*) D:Lượng hơi đốt ở nồi 1, kg/h
*) G
đ
: Lượng dung dịch đầu bằng 16000 kg/h
*) C
0
,C
1
,C
2
: Nhiệt dung riêng của dung dịch vào nồi 1 nồi 2
và ra khỏi nồi 2
Tra bảng (I-163) , [1-207] ta có :
Với x = 10% và t = 158,1
o
C thì C
0
= 3986 J/kg.độ
Với x = 14,74% và t = 124,3
o
C thì C
1
= 3852,3 J/kg.độ
Với x = 25% và t = 78,7
o

= 2689,3.10
3
J/kg
i
’
2
= 2607,3.10
3
J/kg
*) θ
1,
θ
2
: Nhiệt độ nước ngưng nồi 1 và nồi 2 lấy bằng nhiệt
độ hơi đốt
θ
1
= 142,9
o
C
θ
2
= 105,28
o
C
*) C
nc1,
C
nc2
: Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1 và nồi 2 ,

s0
tra bảng (I-249) trong [1- 311] ta có
t
s0
= 108,5276
0
C
Thay số liệu vào hệ phương trình (*), giải ra ta được :
W
1
= 2731,95 kg/h
W
2
= 2860,91 kg/h
D = 2901,509 kg/h
3. Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi
a) Sai số so với giả thiết ban đầu
ε
1=
43,2796
95,273143,2796 −
.100% = 2,3%
ε
2
=
43,2796
43,27962860 −
.100% = 2,3%
Vì sai số nhỏ hơn 5% nên giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi
ban đầu là có thể chấp nhận được

3
2786,9
1
2,3
X. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi
1. Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi.
[3-324] ψ =
565.0








nc
dd
λ
λ
435.0
dd
nc
nc
dd
2
nc
dd
C
C





ρ
ρ
(10)
Tra bảng (I – 64), [1-48] ta có :
ρ
dd
1
= 1086,4.10
3
kg/m
3
ρ
dd
2
= 1145,45.10
3
kg/m
3
Tra bảng (I .249) [1-310], Khối lượng riêng và thể tích riêng
của nước ta có:
t
s1
= 108,5276 —> ρ
nc1
= 952,089


W/m độ
λ
nc2
= 57,1095.10
-2
W/m độ

19
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức(I32) [1-
123]
λ = A.C
dd
.
ρ
3
M
ρ
W/m độ (11)
C
p
: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng
C
p1
= 3852,3 J/kg độ
C
p2
= 3567 J/kg độ

M
=
42
SONa
N
.
2
4
NaSO
M
+
OHOH
MN
22
.
.
= 0.0214 + 0,9786.18 = 20,65
*) Nồi 2

42
SONa
N
=
18/72141/28
142/28
+
= 0,04698
M
2
= .


-
λ
2dd
= 3,58.10
-8
.3293,53.1145,45.10
3
.
83,23/45,1145
= 0,4911 W/m
độ
Tra bảng (I-104), [1-106] Độ nhớt của nước cao hơn 100
o
C.
µ
nc1
= 0,2604

Cp
µ
nc2
= 0,43023

Cp
Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ sôi :
µ
dd1
= 0,455. Cp
µ

3
N.s/m
2
µ
nc
10
3
N.s/m
2
1
1,086
4
0,952
089
20,65
0,520
4
0,588
7
0,455
0,260
4
2
1145,
4
0,980
036
23,83
0,491
1
























ψ
1
= 0,762
ψ
2
=
565.0













ψ
2
= 0,751
2. Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

21
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
[2-3] ∑ r = r
1
+ r
2
+
λ
δ

(12)

10
-3)
= 0,6621.10
-3
(m
2
độ/ W)
3. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1
Giả thiết rằng chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống
truyền nhiệt ở nồi1là
∆t
11
= 3,8
o
C và ∆t
12
= 4,5
o
C
a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi được tính theo công thức :
[2-28] α
1i
= 2,04. A
i
.
25,0
1
.



Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
*) H là chiều cao ống truyền nhiệt, H = 2 m
*) r là ẩn nhiệt ngưng tra theo nhiệt độ hơi đốt
r
1
= 2141.10
3
J/kg
r
2
= 2246,12.10
3
J/kg
*) Nhiệt độ màng nước ngưng
[2- 29] t
mi
= T
i
=
2
1i
t∆
,
o
C (13)
do đó:
t
m1





= 9124,69 W/ m
2
. độ
b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ.
[3-234] q
1i
= α
1i
.∆t
1i ,
W/m
2

(14)
thay số :
q
11
= α
11
.∆t
11
= 9124,69.3,8 = 34673,822 W/m
2
c) Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi
i
- ∆t
1i
- q
1i
. ∑r ,
o
C
(16)
Thay số vào (16) ta có:
∆t
21
= 34,37 – 3,8 – 34673,822.0,6621.10
-3

= 7,6
o
C
*) p
,
i
: áp suất làm việc bằng áp suất hơi thứ.
*) Thay số vào công thức (15) ta có:
α
21
= 45,3
29,1
7,6
33,2
. 0,762= 4422,254 W/m

.100% = 1,46% < 5% nên chấp nhận
được
4. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2
a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Theo công thức (13) ta có:
α
12
= 2,04. 185,2.
25,0
3
5.15,7
2212,5.10








= 5959 W/ m
2
. độ
b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
Theo công thức (14) ta có :
q
12
= α
12
.∆t

độ
d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch
Theo công thức (14)
q
22
= 3990,7.10,95 = 43698 W/m
2
e) So sánh q
12
và q
221
q∂
=
2)q (q
| q -q |
2212
2212
+
.100% = 2,5% < 5% nên chấp nhận
được
4) Bảng tổng hợp số liệu 5
Nồ
i
∆t
1i
o
C

Ψ
α
2
W/m
2
đ
ộ
q
2
W/m
2

25