Đồ án môn học Máy và Thiết bị ĐỀ TÀI " THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH"

Chia sẻ: Me Tran | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là Kali hydroxyt (KOH) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án môn học Máy và Thiết bị ĐỀ TÀI " THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH"

Đồ án môn học Máy và Thiết bị ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải Lời nói đầu Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là Kali hydroxyt (KOH) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó. Trong qui trình sản xuất KOH, quá trình cô đặc thường được sử dụng để thu được dung dịch KOH có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ. Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn dung dịch KOH từ nồng độ 25% đến nồng độ 40%, năng suất 2.5m3/mẻ, sử dụng ống chùm. Có thể nói thực hiện Đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại toàn bộ các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các chi tiết của một thiết bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế. Tuy nhiên vì còn là sinh viên nên kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thực hiện đồ án khó có thể tránh được thiếu xót. Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn. Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Lê Xuân Hải, và các thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học và Dầu khí trường Đại học Bách khoa thành phố Hố Chí Minh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Xuân Hải và các thầy cô khác cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án. SVTH : trang 2
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I. NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn dung dịch KOH từ nồng độ 25% đến nồng độ 40%, năng suất 2.5m3/mẻ, sử dụng ống chùm. II. TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU - KOH là một khối tinh thể trong suốt, màu trắng, ăn da mạnh. - Nhiệt độ nóng chảy là 360.40C (khan). - Nhiệt độ sôi là 13250C (khan). - Độ nhớt là 1.63 Cp ở 200C (dung dịch 20%). - Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO2 của không khí, dễ chảy rữa thành K2CO3. KOH dễ dàng tan trong nước, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch KOH (dạng dung dịch được sử dụng nhiều). Ap suất hơi của nước trên KOH ở nhiệt độ phòng là 0.002 mmHg III. CÔ ĐẶC 1. Định nghĩa Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy 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 hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh. Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi. 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 thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy 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 phải dùng đến máy lạnh. 3. Phân loại và ứng dụng a. Theo cấu tạo SVTH : trang 3
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải • Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm: - Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. - Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc). • Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. 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, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…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. b. Theo phương pháp thực hiện quá trình Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao. Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. 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 áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. 4. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn • Ưu điểm - Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi. - Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng. - Thao tác dễ dàng. - Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau. - Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch. - Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp. • Nhược điểm - Quá trình không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian. SVTH : trang 4
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải - Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác. - Khó giữ được độ chân không trong thiết bị. IV. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1. Thuyết minh quy trình công nghệ - Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0.65 at. - Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 25% từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm. Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 15 phút đến khi nhập đủ 2.5m3 thì ngừng. - Khi đã nhập liệu đủ 2.5m3 thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch. Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm) và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn. Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống. Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền nhiệt). Dung môi là nước bốc hơi và thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt. Hơi thứ được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa. Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngoài. - Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 40% (sau thời gian cô đặc đã tính: 45 phút) thì ngưng cấp hơi. Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu. 2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ a Bơm Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không. + Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng. Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy. Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch KOH từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc. + Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc. b Thiết bị cô đặc Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ. Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và buồng đốt. Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn. Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ. Ống tuần hoàn được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hoàn trong thiết bị. c Thiết bị ngưng tụ SVTH : trang 5
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công nghệ là loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet). Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng thiết bị. Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần máy bơm. d Thiết bị tách lỏng Thiết bị tách lỏng được đặt sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử bay hơi còn sót lại, chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không. e Các thiết bị phụ trợ khác - Bẫy hơi - Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van. SVTH : trang 6
SVTH : P T 15 18 8 9 7 10 16 6 Đồ án môn học Máy và Thiết bị 5 17 P P T 11 4 12 20 BÔM CHAÂ KHOÂG N N 1 19 BEÅ CHÖÙ NÖÔÙ NGÖNG A C 1 18 THIEÁ BÒTHU HOÀ T I 1 X18H10T 17 OÁ G DAÃ HÔI THÖÙ O N N VAØ d=300 1 X18H10T 16 OÁ G DAÃ NÖÔÙ VAØ N N C O d=100 1 X18H10T 3 15 THIEÁ BÒNGÖNG TUÏBAROMET T D=500, Η=4900 1 X18H10T 14 BOÀ CHÖÙ SAÛ PHAÅ N A N M 1 13 13 BAÃ HÔI Y 1 12 OÁ G THAÙ NÖÔÙ NGÖNG N O C d=25, δ=3.5 1 X18H10T 11 OÁ G XAÛ N KHÍ KHOÂ G NGÖNG N 1 X18H10T 10 THIEÁ BÒCOÂ C T ÑAË 1 X18H10T 9 NHIEÄ KEÁ T 2 trang 7 8 AÙ KEÁ P 3 1 14 19 7 OÁ G DAÃ HÔI THÖÙ N N d=400, δ=13 1 X18H10T 6 OÁ G THOÂ G AÙ N N P 1 X18H10T 2 5 OÁ G NHAÄ LIEÄ N P U d=50, δ=3.5 1 X18H10T 4 OÁ G DAÃ HÔI ÑOÁ N N T d=160, δ=5 1 X18H10T 20 3 ÑAÀ THÖÛ N PHAÅ U SAÛ M 1 2 BÔM NHAÄ LIEÄ P U 1 1 BOÀ CHÖÙ NGUYEÂ LIEÄ N A N U 1 X18H10T STT TEÂ GOÏ N I ÑAË TÍNH KYÕ C THUAÄ T SL VAÄ LIEÄ T U Tröôøg Ñaï hoï Baùh Khoa Tp.Hoà Minh n i c c Chí Khoa Coâg Ngheä n Hoaù c hoï BOÄ N MAÙ VAØ MOÂ Y THIEÁ BÒ T Ñoà n moâ hoï Quaù aù n c trình vaø Thieábò t GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải THIEÁ KEÁ T THIEÁ BÒCOÂ C CHAÂ KHOÂ G GIAÙ ÑOAÏ T ÑAË N N N N 3 CH N T DUNG DÒ KOH NAÊ G SUAÁ 2.5m /me û SVTT MA I A NH DUÕG N Tæ : leä GVHD LEÂ UA Â HAÛ X N I BAÛ VEÕ N QUI TRÌNH Baû veõ : n soá 02 CNBM VUÕ MINH BAÙ Ngaø HT y 22/06/05 Chöù naêg c n Hoï teâ n Chöõkyù COÂ G NGHEÄ N Ngaø BV y 28/06/05
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải CHƯƠNG II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH A. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các số liệu ban đầu: • Dung dịch KOH có: - Nhiệt độ đầu 25oC, nồng độ đầu 25%. - Nồng độ cuối 40%. • Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at. • Ap suất ngưng tụ: Pck = 0.65 at. Cô đặc gián đoạn với năng suất 2.5m3/mẻ 1. Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ Nồng độ, % 25 30 35 40 Khối lượng riêng, kg/m3 1239 1291 1344 1399 2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn G đ= G c + W Gđ.xđ = Gc.xc Trong đó G đ , Gc : lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, kg W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg xđ , xc : nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn Gđ.xđ, Gc.xc: khối lượng KOH trong dung dịch, kg a Giai đoạn 25% đến 30% Gđ = 2.5m3 = 2.5*1239 = 3097.5 kg xđ = 0.25 ; xc = 0.3 • Lượng sản phẩm ( là dung dịch KOH 30% ) xñ 0.25 G c = Gđ . = 30975 * . = 2581 25 kg . xc 0.3 • Lượng hơi thứ W = Gđ - Gc = 3097.5 – 2581.25 = 516.25 kg b Giai đoạn 30% đến 35% Gđ = 2581.25 kg ; xđ = 0.3 ; xc = 0.35 x 0.3 ⇒ Gc = Gñ . ñ = 258125* . = 2212 5 kg . xc 0.35 W = Gđ – Gc = 2581.25 – 2212.5 = 368.75 kg c Giai đoạn 35% đến 40% Gđ = 2212.5 kg ; xđ = 0.35 ; xc = 0.4 SVTH : trang 8
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải xñ 0.35 ⇒ G c = Gñ . = 22125 * . = 19359375 kg . xc 0.4 W = 2212.5 – 1935.9375 = 276.5625 kg • Tổng lượng hơi thứ bốc hơi Wt = 516.25 + 368.75 + 276.5625 = 1161.5625 kg • Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40 Thể tích dung dịch trong nồi, m3 2.5 2 1.65 1.38 Khối lượng dung dịch, kg 3097.5 2581.25 2212.5 1935.9375 Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 516.25 885 1161.5625 Khối lượng riêng dung dịch, kg/m3 1239 1291 1344 1399 II. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Ap suất thiết bị ngưng tụ Po = 0.35 at. ⇒ Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ to = 72.05oC ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ). Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ Δ''' = 1K . ⇒ Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t1 = 72.05 + 1 = 73.05oC. Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thoáng dung dịch t sdm( P1 ) = 73.05oC. ⇒ Ap suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc P1 = 0.3636 at ≈ 0.36 at (Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1]). 1. Các tổn thất nhiệt độ – Nhiệt độ sôi dung dịch Ta có tổn thất nhiệt độ sôi theo nồng độ dung dịch KOH ở áp suất khí quyển (Bảng VI.2 trang 61 Tài liệu [2]). Từ đó suy ra nhiệt độ sôi dung dịch KOH ở áp suất khí quyển theo các nồng độ là: Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40 Δ' ở Pa, oC 10 12.2 17 23.6 Nhiệt độ sôi dung dịch ở Pa, oC 110 112.2 117 123.6 a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch KOH theo nồng độ ở áp suất P1 = 0.3636 at Theo phương pháp Babo ( Công thức 5.9 trang 150 Tài liệu [3] ) ⎛ Pdd ⎞ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = ⎜ Pdd ⎟ ⎜ PH O ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ t1 ⎝ PH 2O ⎠ t 2 SVTH : trang 9
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải * Xét dung dịch KOH 25% Nhiệt độ dung dịch KOH 25% ở Pa = 1.033 at là 110oC Ở 110oC áp suất hơi nước bão hòa là 1.461 at ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] ). Ta cần xác định nhiệt độ sôi dung dịch ở P1 = 0.3636 at ⎛ Pdd ⎞ ⎛ Pdd ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ ⎜ PH O ⎟ ⎜ PH O ⎟ ⎝ 2 ⎠ t ⎝ 2 ⎠110 0.3636 1.033 = PH 2O( t ) 1.461 ⇒ PH 2O( t ) = 0.514 at Vậy nhiệt độ sôi của nước ở 0.51 at là t = 81.54oC ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [2] ) ⇒ Nhiệt độ sôi của dung dịch KOH 25% ở P1 = 0.3636 at là 81.54oC Tổn thất nhiệt độ sôi Δ' = 81.54 − 73.05 = 8.49oC Tính tương tự ở các nồng độ 30%, 35%, 40% ta được kết quả sau: Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40 Nhiệt độ sôi dung dịch, oC 81.54 83.43 87.36 92.96 Tổn thất Δ' , oC 8.49 10.38 14.31 19.91 b Tổn thất nhiệt độ do hiệu ứng thủy tĩnh Δ'' . Nhiệt độ sôi dung dịch ở áp suất trung bình Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4] Δ'' = t sdd( Ptb ) − t sdd( P1 ) = t sdm( Ptb ) − t sdm( P1 ) Với: Ptb = P1 + 0.5 ρ hh .g.Hop = P1 + Δ P • Δ P = 0.5 ρ hh .g.Hop 1 • ρ hh = ρ dd 2 Trong đó ρ dd : Khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối ở nhiệt độ t sdd( P1 + ΔP) • Hop : Chiều cao lớp chất lỏng sôi Trong thiết bị tuần hoàn tự nhiên Hop = [0.26 + 0.0014 ρ dd − ρ dm )].H o ( Với Ho :Chiều cao ống truyền nhiệt ρ dm : Khối lượng riêng dung môi ở tsdm * Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho = 1.5m Tính cho trường hợp dung dịch KOH 25% Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số ρ dd − ρ dm thay đổi không đáng kể nên ta chọn tra ρ dd , ρ dm ở 15oC ρ dm = 999kg / m 3 SVTH : trang 10
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải ρ dd( 25%) = 1239kg / m 3 ⇒ H op = [0.26 + 0.0014* (1239− 999)]* 1.5 = 0.894m 1 ⇒ ΔP = 0.5 * ρ hh * g * H op = 0.5 * * 1239* 9.81* 0.894 = 271655N / m 2 = 0.03at . 2 ⇒ Ptb = P1 + ΔP = 0.3636+ 0.03 = 0.3936at Nhiệt độ sôi của H2O ở 0.394 at là 74.998oC ≈ 74.99 oC ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ) Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh Δ'' = t sdm( Ptb ) − t sdm( P1 ) = 74.99 − 73.05 = 1.94 oC ⇒ nhiệt độ sôi dung dịch KOH 25% ở áp suất P1+ ΔP t sdd( P1 + ΔP) = 81.54 + 1.94 = 83.48oC Tính tương tự ta được Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40 Δ'' , oC 1.94 1.94 2.41 2.41 t sdd( P1 + ΔP) 83.48 85.37 89.77 95.37 2. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn Tính theo công thức 4.4 trang 181 Tài liệu [4] * Phương trình cân bằng nhiệt ϕ .D.c.θ + D.(1 − ϕ ).i ''D + Gñ. cñ .t ñ = G c .cc .t c + W.i ''w + D.c.θ + Q t ± Q cñ Với D : lượng hơi đốt sử dụng, kg ϕ = 5% : tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo θ : nhiệt độ nước ngưng, oC C : nhiệt dung riêng nước ngưng ở θ o C , J/kg độ cđ, cc : nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg độ tđ, tc : nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, oC i '' D : entanpi của hơi đốt, J/kg i '' w : entanpi của hơi thứ, J/kg Qt : nhiệt lượng tổn thất, J Qcđ : nhiệt lượng cô đặc, J * Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ( do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo ) QD = D.(1- ϕ ).( i '' − c.θ ) = D.(1- ϕ ).r D r = i '' − c.θ : nhiệt hóa hơi của nước ở áp PĐ D * Nhiệt dung riêng của dung dịch Tính theo công thức 4.11 trang 182 Tài liệu [4] cdd = 4190.(1-x) + c1.x SVTH : trang 11
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải Trong đó x: nồng độ dung dịch c1: nhiệt dung riêng KOH khan, J/kg độ Theo công thức 4.12 trang 183 Tài liệu [4] 26 * 103 + 16.8 * 103 + 9.6 * 103 c1 = = 936J/kg độ 56 Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ Nồng độ dung dịch. % 25 30 35 40 Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg độ 3376.5 3213.8 3051.1 2888.4 * Chọn hơi đốt có áp suất PD =3 at ⇒ tD =132.9oC * Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at r = 2171.103 J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ) * Entanpi của hơi thứ ở 73.05oC i '' =2632.2*103 J/kg ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] ) w * Tổn thất nhiệt Qt = 0.05*QD * Xem nhiệt cô đặc là không đáng kể a Giai đoạn đưa dung dịch 25% từ 25oC đến 83.48oC Gđ = Gc = 3097.5 kg cđ = cc =3376.5 J/kg độ tđ = 25oC ; tc =83.48oC ; W = 0 kg Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình Q1 =3097.5*3376.5*(83.48-25) =6.12*108 J Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất ) Q1 QD1 = = 6.44 * 108 J 0.95 Lượng hơi đốt sử dụng 6.44 * 108 D1 = = 312.25 kg (1 − 0.05) * 2171* 103 b Giai đoạn đưa dung dịch từ 25% đến 30% Gđ = 3097.5 kg ; cđ =3376.5 J/kg độ ; tđ =83.48oC Gc = 2581.25 kg ; cc = 3213.8 J/kg độ ; tc = 85.37oC W = 516.25 Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình: Q2 = 2581.25*3213.8*85.37 – 3097.5*3376.5*83.48 + 516.25*2632.2*103 Q2 =11.94*108 J Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất ) Q2 11.94 * 108 QD2 = = = 12.57* 108 J 0.95 0.95 SVTH : trang 12
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải Lượng hơi đốt sử dụng 12.57 * 108 D2 = = 609.47kg (1 − 0.05) * 2171* 103 c Giai đoạn đưa dung dịch từ 30% đến 35% Gđ = 2581.25 kg ; cđ = 3213.8 J/kg độ ; tđ = 85.37oC Gc = 2212.5 kg ; cc = 3051.1 J/kg độ ; tc = 89.77oC W = 368.75 kg Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình Q3 = 2212.5*3051.1*89.77 – 2581.25*3213.8*85.37 + 368.75*2632.2*103 Q3 = 8.68*108 J Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt ) 8.68* 108 QD3 = = 9.14 * 108 J 0.95 Lượng hơi đốt sử dụng 9.14 * 108 D3 = = 443.16 kg (1 − 0.05) * 2171* 103 d Giai đoạn đưa dung dịch từ 35% đến 40% Gđ = 2212.5 kg ; cđ = 3051.1 J/kg độ ; tđ = 89.77oC Gc = 1935.9375 kg ; cc = 2888.4 J/kg độ ; tc = 95.37oC W = 276.5625 kg Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình Q4 = 1935.9375*2888.4*95.37 – 2212.5*3051.1*89.77 + 276.5625*2632.2*103 Q4 = 6.55*108 J Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt ) 6.55* 108 QD4 = = 6.89* 108 J 0.95 Lượng hơi đốt sử dụng 6.89 * 108 D4 = = 334.07 kg (1 − 0.05) * 2171* 103 * Tổng nhiệt lượng QD = 6.44*108 + 12.57*108 + 9.14*108 + 6.89*108 =35.04*108 J * Tổng lượng hơi đốt D = 312.25 + 609.47 + 443.16 + 334.07 =1698.95 kg * Lượng hơi đốt riêng D 169895 . Driêng = = = 1.46 kg/kg hơi thứ W 11615625 . * Tóm tắt cân bằng năng lượng Nồng độ dung dịch. % 25(25oC) 25(83.48oC) 30 35 40 SVTH : trang 13
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải Nhiệt lượng hữu ích, J*10-8 0 6.12 18.06 26.74 33.29 Tổng nhiệt lượng cung cấp, J*10-8 6.44 19.01 28.15 35.04 Lượng hơi đốt sử dụng, kg 312.25 921.72 1364.88 1698.95 B. TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH I. HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT 1. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi 1.1 Các kí hiệu và công thức α 1 : hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m2K α2 : hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m2K q1 : nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m2 q2 : nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2 qv : nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt, W/m2 t v1 : nhiệt độ trung bình vách ngoài ống, oC t v2 : nhiệt độ trung bình vách trong ống, oC tD : nhiệt độ hơi ngưng, tD = 132.9oC tdd : nhiệt độ dung dịch sôi, oC Δt 1 = t D − t v1 Δt 2 = t v 2 − t dd Δt v = t v1 − t v2 tm = 1 2 ( ) t D + t v1 : nhiệt độ màng nước ngưng, oC 1.1.1 Phía hơi ngưng q1 = α 1 .Δt 1 (1) Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2] r α 1 = 2.04 * A * 4 (2) Δt 1 * H 0.25 ⎛ ρ 2 .λ3 ⎞ ⎜ μ ⎟ Với A= ⎜ ⎟ phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm ⎝ ⎠ t m , oC 40 60 80 100 120 140 160 180 200 A 139 155 169 179 188 194 197 199 199 ρ : khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tm, kg/m3 λ : hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ tm, W/mK μ :độ nhớt của nước ở nhiệt độ tm, Pas r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD SVTH : trang 14
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải r = 2171*103 J/kg H = 1.5 m: chiều cao ống truyền nhiệt 1.1.2 Phía dung dịch q2 = α 2 .Δt 2 (3) Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2] 0.435 ⎛λ ⎞ 0.565 ⎡⎛ ρ ⎞ 2 c μ ⎤ α 2 = α n .⎜ dd ⎟ ⎜λ ⎟ .⎢⎜ dd ⎟ . dd . n ⎥ ⎜ρ ⎟ c μ (4) ⎝ n ⎠ ⎢⎝ n ⎠ ⎣ n dd ⎥ ⎦ Trong đó λ n , ρ n , cn , μ n : hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m3), nhiệt dung riêng (J/kg độ), độ nhớt (Pas) của nước λ dd , ρ dd , cdd , μ dd : các thông số của dung dịch theo nồng độ α n : hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước, W/m2K α n = 0.56 * q 0.7 * p0.15 (5), (công thức V.90 trang 26 Tài liệu [2]) Với q : nhiệt tải riêng, W/m2 p : áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m2 p = p1 = 0.3636 at = 35669.16 N/m2 * Các thông số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2] ) tsdm = 73.05oC ρ n = 975.97 kg/m3 cn = 4189.44 J/kg độ μ n = 0.38619*10-3 Ns/m2 λ n = 66.983*10-2 W/mK * Các thông số của dung dịch • μ dd tra ở bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] ( ở 40oC ) • λ dd tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1] ρ dd λ = 3.58* 10−8 * cdd * ρ dd * 3 , W/mK M dd 1 Mdd = x 1− x + 56 18 Với x : nồng độ dung dịch • cdd và ρ dd xác định theo nồng độ Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40 tsdd, oC 83.48 85.37 89.77 95.37 ρ dd , kg/m3 1239 1291 1344 1399 cdd , J/kg độ 3376.5 3213.8 3051.1 2888.4 μ dd , Ns/m 2 1.31*10 -3 1.57*10 -3 1.83*10 -3 2.09*10-3 SVTH : trang 15
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải Mdd 21.68 22.6 23.61 24.71 λ dd , W/mK 0.577 0.572 0.565 0.555 1.1.3 Phía vách ống truyền nhiệt Theo thí dụ 19 trang 148 Tài liệu [4] Δt v qv = (6) ∑ rv ⇒ Δt v = q v .∑ rv 1 δv 1 Trong đó: ∑r v = + + r1 rv r2 1 1 1 Lấy = = , (W/mK)-1 r1 r2 4000 δ v = 2 mm: bề dày ống truyền nhiệt λ v = 17.5 W/mK: hệ số dẫn nhiệt qua vách 1 2 * 10−3 1 ⇒ ∑ rv = + + =6.143*10-4, (W/mK)-1 4000 17.5 4000 1.1.4 Hệ số truyền nhiệt K 1 K= , W/m2K 1 1 + ∑ rv + α1 α2 Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như sau 1 Chọn t v1 (< tD ) ⇒ Δt 1 2 Tính α 1 theo công thức (2) 3 Tính q1 theo công thức (1) 4 Tính Δt v theo công thức (6) với qv = q1 ⇒ t v , Δt 2 2 5 Tính α n theo công thức (5) với q = q1 6 Tính α 2 theo công thức (4) 7 Tính q2 theo công thức (3) 1 8 Tính qtb = .(q1 + q 2 ) 2 q − q tb 9 Xác định sai số ss = 1 q1 Nếu ss > 5% thì chọn lại t v1 và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ 10 Tính K theo công thức (7) 1.2 Tính K cho các giai đoạn a. Tímh ở nồng độ 25% Chọn SVTH : trang 16
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải • t v1 = 127.7 ⇒ Δt 1 = 5.2K • Tính α1 1 tm = * (132.9 + 127.7) = 130.3o C ⇒ A = 191.09 2 r 2171* 103 ⇒ α 1 = 2.04 * A * 4 = 2.04 * 191.09* 4 = 895384 W/m2K . Δt 1 * H 5.2 * 1.5 • q1 = α 1 .Δt 1 = 895384 * 5.2 = 46559968W / m 2 . . • Δt v = q1 .∑ rv = 46559968* 6.143* 10−4 = 28.6o C . ⇒ t v 2 = 127.7 − 28.6 = 99.1o C ⇒ Δt 2 = 99.1 − 83.48 = 15.62o C • α n = 0.56 * q1.7 * p 0.15 = 0.56 * 465599680.7 * 35669160.15 = 499621W/m2K 0 . . . 0.435 ⎛ 0.577 ⎞ 0.565 ⎡⎛ 1239 ⎞ 2 33765 0.38619* 10−3 ⎤ . α 2 = 499621* ⎜ . ⎟ ⎢⎜ ⎟ * * ⎥ ⎝ 0.66983⎠ ⎢⎝ 975.97 ⎠ 418944 ⎣ . 1.31* 10−3 ⎥ ⎦ α 2 = 302474W / m 2 K . • q 2 = α 2 .Δt 2 = 302474 * 15.62 = 4724644 W/m2 . . 1 1 • q tb = .(q1 + q 2 ) = (46559968+ 4724644) = 469032W / m 2 . . . 2 2 q1 − q tb 46559968− 4724644 . . ss = = = 0.007 = 0.7% (thỏa) q1 46559968 . Vậy t v1 = 127.7o C 1 K= = 946.44W / m 2 K 1 1 + 6.143* 10− 4 + 8953 94 . 3024 74 . b. Tính ở nồng độ 30% Tính tương tự t v1 = 128.2o C 1 K= = 911.8W / m 2 K 1 1 + 6.143* 10− 4 + 9186 63 . 2676 84 . c. Tính ở nồng độ 35% Tímh tương tự t v1 = 129oC 1 K= = 865.08W / m 2 K 1 1 + 6.143* 10− 4 + 963135 . 228395 . d. Tính ở nồng độ 40% Tính tương tự t v1 = 130o C SVTH : trang 17
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải 1 K= = 798.87W / m 2 K 1 1 + 6.143* 10− 4 + 1037992 . 1847 98 . o Bảng tóm tắt Nồng độ dung dịch,% 25 30 35 40 tsdd, oC 83.48 85.37 89.77 95.37 q1, W/m2 46559.968 43177.16 37562.265 30101.77 q2,W/m2 47246.44 43659.26 36908.63 29826.4 qtb, W/m2 46903.2 43418.21 37235.45 29964.08 α 1 ,W/m2K 8953.94 9186.63 9631.35 10379.92 α 2 , W/m2K 3024.74 2676.84 2283.95 1847.98 K, W/m2K 946.44 911.8 865.08 798.87 ss, % 0.7 0.6 0.9 0.5 2. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ 25oC đến 83.48oC 2.1 Các kí hiệu và công thức Các kí hiệu α 1 , α 2 , q1, q2, qv, t v1 , t v 2 , tD, tdd, Δt 1 , Δt 2 , Δt v , tm như mục 1.1 2.1.1 Phía hơi ngưng q1 = α 1 .Δt 1 r α 1 = 2.04 * A * 4 Δt 1 * H A xác định theo tm r = 2171*103 J/kg H = 1.5 m 2.1.2 Phía vách Δt v qv = ∑ rv ∑r v = 6.143* 10−4 ( W / m 2 K ) −1 2.1.3 Phía dung dịch q 2 = α 2 .Δt 2 α 2 .l Nu.λ dd Nu = ⇒ α2 = λ dd l Trong đó Nu = C.(Gr. Pr) n cdd .μ dd Pr = λdd SVTH : trang 18
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải l .ρ dd .β dd .Δt 2 .g 3 Gr = μ dd 2 * C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau Gr.Pr ≤ 10−3 thì Nu = 0.5 Gr.Pr = 10−3 → 500 thì Nu = 1.18(Gr. Pr) 0.125 Gr. Pr = 500 → 2.107 thì Nu = 0.54(Gr. Pr) 0.25 Gr.Pr > 2.107 thì Nu = 0.135(Gr. Pr) 0.33 * l : chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1.5 m * ρ dd , β dd , λ dd , μ dd , cdd : khối lượng riêng ( kg/m3 ), hệ số dãn nở thể tích ( K-1 ), hệ số dẫn nhiệt ( W/mK ), độ nhớt ( Pa.s ), nhiệt dung riêng ( J/kg độ ) của dung dịch KOH lấy ở 1⎛_ ⎞ nhiệt độ màng t m = ⎜ t dd + t v 2 ⎟ 2⎝ ⎠ _ 1 Với t dd = (83.48 + 25) = 54.24o C 2 ρ dd = 1239kg / m 3 cdd = 3376.5 J/kg độ μ dd = 1.31* 10−3 Ns/m2 λ dd = 0.577W / mK β của dung dịch KOH 25% To ,oC 0 20 40 60 80 100 120 β .10−3 0.425 0.455 0.48 0.505 0.535 0.57 0.605 2.1.4 Hệ số truyền nhiệt 1 K= , W/m2K 1 1 + ∑ rv + α1 α2 * Trình tự tính lặp (1). Chọn t v1 ⇒ Δt 1 (2). Tính α 1 (3). Tính q1 (4). Tính Δt 1 ⇒ t v 2 ⇒ Δt 2 (5). Tính Nu2 ⇒ α 2 (6). Tính q2 1 (7). Tính qtb = 2(q1 + q 2 ) SVTH : trang 19
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải q1 − q tb (8). Tính ss = , tính cho đến sai số nhỏ (và phải nhỏ hơn 5% ) q 2.2 Thực hiện tính lặp (1). Chọn t v1 = 121.3o C ⇒ Δt 1 = 132.9 − 121.3 = 11.6K 1 tm= (132.9 + 121.3) = 127.1o C ⇒ A = 190.13 2 2171* 103 (2). α 1 = 2.04 * 190.134 = 728968W / m 2 K . 11.6 * 1.5 (3). q1 = α 1Δt 1 = 728968* 11.6 = 8456029W / m 2 . . (4). Δt v = q1 .∑ rv = 8456029* 6.143* 10−4 = 51.95K . ⇒ t v2 = 121.3 − 51.95 = 69.35o C ⇒ Δt 2 = 69.35 − 54.24 = 15.11K (5). Tính α 2 cdd .μ dd 33765 * 1.31* 10−3 . Pr = = = 7.67 λdd 0.577 1 t 'm = (54.24 + 69.35) = 61.795o C ⇒ β = 0.508 2 1.53 * 12392 * 0.508* 15.11* 9.81 ⇒ Gr = = 2.273* 1014 (1.31* 10 ) −3 2 ta thấy Gr.Pr > 2.107 ⇒ Nu = 0.135* (Pr* Gr) 0.33 = 1445499 . Nu.λ dd ⇒ α2 = = 556035 W/m2K . l (6). q 2 = α 2 .Δt 2 = 8401689W / m 2 . (7). qtb = 84288.59W/m2 (8). ss=0.003=0.3% (thoả) Vậy hệ số truyền nhiệt giai đoạn này 1 K= = 107374W / m 2 K . 1 −4 1 + 6.143* 10 + 728968 . 556035 . II. BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC Phương trình truyền nhiệt cho khoảng thời gian nhỏ dT dQ= K.F(T-t).dT Giả sử đến cuối quá trình dung dịch vẫn ngập hết bề mặt truyền nhiệt ⇒ F không đổi, T không đổi SVTH : trang 20