Đồ án môn học Máy và Thiết bị“Thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn NaCl từ 10% lên 27% ,năng suất 1200kg /mẻ ,sử dụng ống chum”.

Chia sẻ: Me Tran | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:49

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 33
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tính chất nguyên liệu và sản phẩm III.Cô đặc IV.Quy trình công nghệ Chương II : Thiết kế thiết bị chính A.Cân bằng vật chất và năng lượng I. Cân bằng vật chất II. Cân bằng năng lượng B. Tính thiết kế thiết bị chính I.Hệ số truyền nhiệt II.Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cô đặc III.Buồng đốt và đáy IV. Buồng bốc và nắp

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án môn học Máy và Thiết bị“Thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn NaCl từ 10% lên 27% ,năng suất 1200kg /mẻ ,sử dụng ống chum”.

Đồ án môn học Máy và Thiết bị “Thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn NaCl từ 10% lên 27% ,năng suất 1200kg /mẻ ,sử dụng ống chum”
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị MỤC LỤC Lời nói đầu 2 Chương I: Giới thiệu tổng quan I.Nhiệm vụ của đồ án 3 II.Tính chất nguyên liệu và sản phẩm 3 III.Cô đặc 4 IV.Quy trình công nghệ 5 Chương II : Thiết kế thiết bị chính A.Cân bằng vật chất và năng lượng 8 I. Cân bằng vật chất 8 II. Cân bằng năng lượng 9 B. Tính thiết kế thiết bị chính I.Hệ số truyền nhiệt 14 II.Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cô đặc 21 III.Buồng đốt và đáy 23 IV. Buồng bốc và nắp 24 C. Tính cơ khí cho thiết bị chính 27 I.Buồng đốt 27 II.Buồng bốc 28 III.Đáy 30 IV.Nắp 32 V. Tính cách nhiệt cho thân 32 VI.Mối ghép bích 33 VII.Vỉ ống 34 VIII.Khối lượng và tai treo 35 IX.Các ống dẫn ,cửa 37 Chương III :Tính chi tiết thiết bị phụ I.Thiết bị ngưng tụ Baromet 39 II.Bơm 44 Chương IV : Tính giá thành thiết bị 49 Kết luận 51 Tài liệu tham khảo 52 trang 2
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị 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 Natri Clorua (NaCl) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó.NaCl tinh khiết được sử dụng nhiều trong thực phẩm dưới dạng muối ăn ,hay sử dụng nhiều trong ngành y tế dưới dạng dịch truyền.đ Nhiệm vu cụ thể của đồ án môn học là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn NaCl từ 10% lên 27% ,năng suất 1200kg /mẻ ,sử dụng ống chùm. Đồ án gồm 4 chương : • Chương I:Giới thiệu tổng quan • Chương II :Thiết kế thiết bị chính • Chương III :Thiết kế các chi tiết phụ • Chương IV: Tính tốn giá thành thiết bị Có thể nói thực hiện Đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại tồn bộ các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngồi ra đây còn là dịp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính tốn và thiết kế các chi tiết của một thiết bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế. Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Trần Văn Nghệ , 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 Trần Văn Nghệ và các thầy cô khác cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án. CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I. NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN trang 3
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn dung dịch NaCl từ nồng độ 10% đến nồng độ 27%, năng suất 1200kg/mẻ, sử dụng ống chùm. II. TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM: 1 .Nguyên liệu : - NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion - Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày - Khối lượng riêng dd 10% là 1073 (kg/m3) - Độ nhớt là 1,07 *10-3 (Ns/m2) ở 200C (dung dịch 10%). - Độ hòa tan ở 60oC là 27,1% ,ở 20oC là 26,3% - Nguyên liệu đem đi cô đặc là dd NaCl 10% với dung môi là nước . 2. Sản Phẩm: • Khi kết thúc quá trình cô đặc ,dung dịch ở nhiệt độ từ 75-80oC ,khi đó độ hòa tan của dung dịch khoảng 27,5% .Nhưng độ hòa tan cuả dung dịch ở nhiệt độ thường chừng 26,3%.Vì vậy ,quá trình cô đặc NaCl này là để tạo dung dịch bão hòa ,và khi làm nguội thì sẽ có NaCl tinh thể kết tinh .Trong khi các muối tạp chất khác như MgCl2 hay CaCl2 lại tan ở nhiệt độ thường ,vì vậy quá trình này có thể được sử dụng vừa thu dung dịch muối bão hòa vừa tách tạp chất để sản xuất muối tinh khiết khi hạ nhiệt độ. Muối tinh khiết thường được sử dụng trong thực phẩm và y tế. 3.Những biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc: Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi: Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt. Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi. Yêu cầu chất lượng sản phẩm : Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu. Thành phần hố học chủ yếu không thay đổi. 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. trang 4
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị 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 thống 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 ngồi tác dụng lên mặt thống 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 • Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hồn 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 hồn trong hoặc ngồi. - Có buồng đốt ngồi ( 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 hồn ngồi. - Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi. • 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 ngồi: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ. - Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngồi: 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 hồn 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. trang 5
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị 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. - 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 = 0,7 at. - Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm. Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 20 phút đến khi nhập đủ 3240 kg thì ngừng. - Khi đã nhập liệu đủ 3240 kg 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 hồn trung tâm có đường kính lớn hơn. Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngồi ống. Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hồn qua ống tuần hồn (do ống tuần hồn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần hồn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hồn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hồn sang các ống truyền nhiệt). Dung môi là nước bốc hơi và thốt ra ngồi 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 ngồi 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 ngồi. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngồi qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngồi. - Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 27% (sau thời gian cô đặc đã tính: 121,3 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. trang 6
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị + 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 NaCl 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 hồn 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 hồn được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hồn trong thiết bị. c Thiết bị ngưng tụ 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 ngồi 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. trang 7
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị 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 NaCl có: - Nhiệt độ đầu 25oC, nồng độ đầu 10%. - Nồng độ cuối 27%. • Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at. • Aùp suất ngưng tụ: Pck = 0,7 at. Cô đặc gián đoạn với năng suất 1200 kg/mẻ 1. Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ Nồng độ, % 10 15 20 27 Khối lượng riêng, kg/m3 1073 1110 1150 1205 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 NaCl trong dung dịch (kg) • Khối lượng dd đầu : Gđ = 1200 *0,27 /0,1 = 3240 (kg) a Giai đoạn 10% đến 15% Gđ = 3240 (kg) xđ = 0,1 ; xc = 0,15 • Lượng sản phẩm ( là dung dịch NaCl 15% ): xñ 0,1 G c = Gđ . = 3240 * = 2160 (kg) xc 0,15 • Lượng hơi thứ: trang 8
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị W = Gđ - Gc = 3240 – 2160 = 1080 (kg) b Giai đoạn 15% đến 20% Gđ = 2160(kg) ; xđ = 0,15 ; xc = 0,2 x 0,15 ⇒ Gc = Gñ . ñ = 2160 * = 1620 (kg) xc 0,2 W = Gđ – Gc = 2160 – 1620 = 540 (kg) c Giai đoạn 20% đến 27% Gđ = 1620 (kg) ; xđ = 0,2 ; xc = 0,27 x 0,2 ⇒ Gc = Gñ . ñ = 1620 * = 1200 (kg) xc 0,27 W = 1620 – 1200 = 420 (kg) • Tổng lượng hơi thứ bốc hơi Wt = 1080+540+420 = 2040 (kg) • Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27 Thể tích dung dịch trong nồi, m3 3,02 1,946 1,4 1 Khối lượng dung dịch, kg 3240 2160 1620 1200 Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 1080 1620 2040 Khối lượng riêng dung dịch, kg/m3 1073 1110 1150 1205 II. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Aùp suất làm việc trong buồng bốc thiết bị cô đặc P1 = 0,3 at. ⇒ Nhiệt độ hơi thứ ở buồng bốc t1 = 68,7oC ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ). Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thống dung dịch t sdm( P1 ) = 68,7 o C Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ Δ''' = 1K . ⇒ Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ : t0 = 68,7 - 1 = 67,7oC. 1. Các tổn thất nhiệt độ – Nhiệt độ sôi dung dịch a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch NaCl theo nồng độ ở áp suất P1 = 0,3 at ( Δ' ) : Theo tài liệu [3] trang 149: Δ' = Δ' o *f Với f tra ở tài liệu [3] trang 147 : Với t sdm( P1 ) = 68,7oC ,f = 0,81 Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27 trang 9
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị Tổn thất Δ' o , oC 1,9 3,25 4,85 8 Tổn thất Δ' ,oC 1,54 2,63 3,9 6,48 Nhiệt độ sôi dd , oC 70,2 71,3 72,6 75,2 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 hồn 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 NaCl 10 % Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số ρ dd − ρ dm thay đổi không đáng kể nên : ρ dm = 999(kg / m 3 ) ρ dd ( 25%) = 1073(kg / m 3 ) ⇒ H op = [0.26 + 0.0014 * (1073 − 999)]*1.5 = 0,5454 (m) 1 ⇒ ΔP = 0,5 * ρ hh * g * H op = 0,5 * * 1073 * 9,81 * 0,5454 = 1435,24 N / m 2 = 0,015at 2 ⇒ Ptb = P1 + ΔP = 0,3 + 0,015 = 0,315at Nhiệt độ sôi của H2O ở 0,315 at là 69,7 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 ) = 69,7 − 68,7 = 1 oC ⇒ nhiệt độ sôi dung dịch NaCl 10 % ở áp suất P1+ ΔP t sdd ( P1 + ΔP ) = 70,2 + 1 = 71,2 oC Tính tương tự ta được Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27 trang 10
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị Δ'' , oC 1 1,14 1,34 1,7 t sdd ( P1 + 2 ΔP ) 72,2 73,6 75,3 78,6 2. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn Tính theo công thức 2.4 trang 104 Tài liệu [4]: * Phương trình cân bằng nhiệt ϕ .D.c.θ + D.(1 − ϕ ).i D + Gñ. c ñ .t ñ = Gc .cc .t c + W .i w + D.c.θ + Qt ± Qcñ '' '' 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 =Gđ(cctc - c đ t đ ) +W (iw’’- cctc) ± Qcd D r = i '' − c.θ : nhiệt hóa hơi của nước ở áp PĐ D * Nhiệt dung riêng của dung dịch Tính theo công thức 2.11 trang 106 Tài liệu [4] cdd = 4190.(1-x) + c1.x Trong đó x: nồng độ dung dịch c1: nhiệt dung riêng NaCl khan (J/kg độ) Theo công thức 2.12 trang 183 Tài liệu [4] 26 * 10 3 + 26 * 10 3 c1 = = 88,89 (J/kg độ) 58,5 Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ Nồng độ dung dịch. % 10 15 20 27 Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg độ 3771 3652 3370 3082,7 * 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] ) trang 11
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị * Entanpi của hơi thứ ở 73,05oC i '' =2620*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 10% từ 25oC đến 72,2oC Gđ = Gc = 3240 (kg) cđ = cc =3771 (J/kg độ) tđ = 25oC ; tc =72,2oC ; W = 0 kg Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình: Q1 =3240*3771*(72,2-25) =5,77*108 (J) Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất ): Q QD1 = 1 = 6,07 * 10 8 (J) 0,95 Lượng hơi đốt sử dụng: 6,07 * 10 8 D1 = = 294,3 (kg) (1 − 0,05) * 2171 * 10 3 b Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% đến 15%: Gđ = 3240 (kg) ; cđ =3771 (J/kg độ ); tđ =72,2 (oC) Gc = 2160 (kg) ; cc = 3562 (J/kg độ) ; tc = 73,6 (oC) W = 1080 (kg) Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình: Q2 = 2160*3562*73,6 – 3240*3771*72,2 + 1080*2620*103 Q2 =25,14*108 (J) Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất ) Q2 25,14 * 10 8 QD2 = = = 26,46 * 10 8 (J) 0,95 0,95 Lượng hơi đốt sử dụng 26,46 * 10 8 D2 = = 1283 (kg) (1 − 0,05) * 2171 * 10 3 c Giai đoạn đưa dung dịch từ 15% đến 20%: Gđ = 2160 (kg) ; cđ = 3562 (J/kg độ) ; tđ = 72,2(oC) Gc = 1620 (kg) ; cc = 3370 (J/kg độ ); tc = 75,3(oC) W = 540 (kg) Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình Q3 = 1620*3370*75,3 – 2160*3370*72,2 + 540*2620*103 Q3 = 12,6*108 (J) Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt ): 12,6 * 10 8 QD3 = = 13,26 * 10 8 (J) 0,95 trang 12
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị Lượng hơi đốt sử dụng 13,26 * 10 8 D3 = = 643 (kg) (1 − 0,05) * 2171 * 10 3 d Giai đoạn đưa dung dịch từ 20% đến 27%: Gđ = 1620 (kg) ; cđ = 3370 (J/kg độ ); tđ = 75,3(oC) Gc = 1200 (kg) ; cc = 3082,7 (J/kg độ ); tc = 78,6 (oC) W = 420 (kg) Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình Q4 = 1200*3082,7*78,6 – 1620*3370*75,3 + 420*2620*103 Q4 = 9,8*108 (J) Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt ): 9,8 * 10 8 QD4 = = 10,32 * 10 8 (J) 0,95 Lượng hơi đốt sử dụng: 10,32 * 10 8 D4 = = 500 (kg) (1 − 0,05) * 2171 * 10 3 * Tổng nhiệt lượng: QD = 6,07*108 + 26,46*108 + 13,26*108 + 9,8*108 =56,11*108 (J) * Tổng lượng hơi đốt: D = 294,3 + 1283 + 643 + 500 =2720,3 (kg) * Lượng hơi đốt riêng: D 2720,3 Driêng = = = 1,33 (kg/kg hơi thứ) W 2040 * Tóm tắt cân bằng năng lượng: Nồng độ dung dịch. % 10(25oC) 10(72,2oC) 15 20 27 Nhiệt lượng hữu ích, J*10-8 0 5,77 30,9 43,5 53,3 Tổng nhiệt lượng cung cấp, J*10-8 6,07 32,53 45,79 56,11 Lượng hơi đốt sử dụng, kg 294,3 1577,3 2220,0 2720,3 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) trang 13
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị qv : nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt (W/m2) t v1 : nhiệt độ trung bình vách ngồi ống (oC) t v2 : nhiệt độ trung bình vách trong ống (oC) tD : nhiệt độ hơi ngưng, tD = 132,9(oC) 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 ⎞ Với A= ⎜ ⎜ μ ⎟ ⎟ 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 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 ⎞ c dd μ n ⎤ 2 α 2 = α n ⎜ dd ⎜λ ⎟ ⎟ * ⎢⎜ dd ⎜ ⎟ * ⎟ * ⎥ (4) ⎝ n ⎠ ⎢⎝ ρ n ⎣ ⎠ c n μ 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) trang 14
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị α n = 0,56 * q 0,7 * p 0,15 (5), (công thức V.90 trang 26 Tài liệu [2]) Với q : nhiệt tải riêng (W/m2) p : áp suất tuyệt đối trên mặt thống (N/m2) p = p1 = 0,3 at = 29430 (N/m2) * Các thông số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2] ): tsdm = 68,7 (oC) ρ n = 978,5 (kg/m3) cn = 4186 (J/kg độ) μ n = 0,4*10-3 (Ns/m2) λ n = 66,7*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 + 58,5 18 Với x : nồng độ dung dịch • cdd và ρ dd xác định theo nồng đo Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27 tsdd, oC 72,2 73,6 75,3 78,6 ρ dd , kg/m3 1073 1110 1150 1205 cdd , J/kg độ 3771 3562 3370 3082,7 μ dd , Ns/m 2 0,71*10 -3 0,78*10 -3 0,89*10 -3 1,08*10-3 Mdd 19,34 20,09 20,9 22,14 λ dd , W/mK 0,55 0,54 0,528 0,504 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 trang 15
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị 1 Lấy = 0,464 * 10 −3 , (W/mK)-1: nhiệt trở của nước thường r1 1 = 0,389 * 10 −3 (W/mK )-1: nhiệt trở cuả cáu bẩn r2 δ v = 2 mm: bề dày ống truyền nhiệt λ v = 17,5 W/mK: hệ số dẫn nhiệt qua vách 2 * 10 −3 ⇒ ∑ rv = 0,464 * 10 −3 + + 0,389 * 10 −3 =9,653*10-4, (W/mK)-1 17.5 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) 8 Tính qtb = .(q1 + q 2 ) 1 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 10% : Chọn • t v1 = 128 ⇒ Δt1 = 4,9 K • Tính α1 : 1 tm = * (132,9 + 128) = 130,45 o C ⇒ A = 191 2 r 2171 * 10 3 ⇒ α 1 = 2,04 * A * 4 = 204 * 191 * 4 = 9083,57 (W/m2K) Δt1 * H 4,9 * 1,5 • q1 = α 1 * Δt1 = 9083,57 * 4,9 = 44509,5(W / m 2 ) trang 16
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị • Δt v = q1 * ∑ rv = 44509,5 * 9,653 * 10 −4 = 42,97( o C ) ⇒ t v2 = 128 − 42,9 = 85( o C ) ⇒ Δt 2 = 85 − 72,2 = 12,8( o C ) • α n = 0,56 * q10,7 * p 0,15 = 0,56 * 44509,5 0,7 * 29430 *16 0,15 = 4703,525 (W/m2K) 0 , 435 ⎛ 0,55 ⎞ 0 , 565 ⎡⎛ 1073 ⎞ 2 3771 0,4 * 10 −3 ⎤ α 2 = 4703,525 * ⎜ ⎟ ⎢⎜ ⎟ * * −3 ⎥ ⎝ 0,667 ⎠ ⎢⎝ 978,5 ⎠ 4186 0,71 * 10 ⎥ ⎣ ⎦ α 2 = 3402,56(W / m 2 K ) • q 2 = α 2 * Δt 2 = 3402,56 * 12,8 = 43552,76 (W/m2) 1 • qtb = (q1 + q 2 ) = 1 (44509,5 + 43552,76) = 44031(W / m 2 ) 2 2 q1 − q tb 44509,5 − 44031,13 ss= = = 0,01 = 1% (thỏa) q1 44509,5 Vậy t v1 = 128 o C 1 K= = 730(W / m 2 K ) 1 1 + 9,653 *10 − 4 + 9083,57 3402,56 b. Tính ở nồng độ 15%: Tính tương tự t v1 = 128,3 o C 1 K= = 718(W / m 2 K ) 1 1 + 9,653 * 10 − 4 + 9228,18 3141,75 c. Tính ở nồng độ 20%: Tímh tương tự t v1 = 128,5 (oC) 1 K= = 704,42(W / m 2 K ) 1 1 + 9,653 * 10 − 4 + 9331,3 2880,75 d. Tính ở nồng độ 27%: Tính tương tự t v1 = 129 o C 1 K= = 675(W / m 2 K ) 1 1 + 9,653 * 10 − 4 + 9616,99 2425,78 o Bảng tóm tắt Nồng độ dung dịch,% 10 15 20 27 tsdd, oC 72,2 73,6 75,3 78,6 q1, W/m2 44509,5 42449,63 41057,72 37506,29 q2,W/m2 43552,76 43115,41 39083,09 34434,39 trang 17
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị qtb, W/m2 44031,13 42782,52 40070,4 35970,34 α 1 ,W/m K 2 9083,57 9228,18 9331,3 9616,99 α 2 , W/m2K 3402,56 3141,75 2880,75 2425,78 2 K, W/m K 730 718 704 675 ss, % 1 0,78 2,4 4 2. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ 25oC đến 72,2oC: 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 Δt1 * 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 = 9,653 *10 −4 (W / m 2 K ) −1 2.1.3 Phía dung dịch: q 2 = α 2 * Δt 2 α2 *l Nu * λ dd Nu = ⇒ α2 = λ dd l Trong đó Nu = C (Gr * Pr ) n c dd * μ dd Pr = λ dd 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 *10 7 thì Nu = 0,54(Gr. Pr ) 0 , 25 Gr*Pr > 2 *10 7 thì Nu = 0,135(Gr. Pr ) 0 , 33 * l : chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1,5 m trang 18
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị * 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 NaCl lấy ở 1⎛_ ⎞ nhiệt độ màng t m = ⎜ t dd + t v 2 ⎟ 2⎝ ⎠ _ 1 Với t dd = (72,2 + 25) = 48,6( o C ) 2 ρ dd = 1073(kg / m 3 ) cdd = 3771 (J/kg độ) μ dd = 0,78 *10 −3 (Ns/m2) λ dd = 0.577W / mK β của dung dịch NaCl 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 ) 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 = 124,5 o C ⇒ Δt1 = 132,9 − 124,5 = 8,4 (oC) 1 tm= (132,9 + 124,5) = 128,7 o C ⇒ A = 190.13 2 trang 19
Đồ án môn học Máy và Thiết bịĐồ án môn học Máy và Thiết bị 2171 * 10 3 (2). α 1 = 2,04 * 190,13 4 = 7921,83(W / m 2 K ) 8,4 * 1,5 (3). q1 = α 1 Δt1 = 7921,83 * 8,4 = 66543,35(W / m 2 ) (4). Δt v = q1 .∑ rv = 66543,35 * 9,653 * 10 −4 = 64,23 (oC) ⇒ t v2 = 124,5 − 64,23 = 60,27( o C ) ⇒ Δt 2 = 60,27 − 48,6 = 11,67 (oC) (5). Tính α 2 : c dd .μ dd 3771 * 0,78 * 10 −3 Pr = = = 4,868 λdd 0,55 1 tm = ' (60,27 + 48,6) = 54,435 o C ⇒ β = 0,49 *10 −3 (K-1) 2 1,5 3 * 1073 2 * 0,49 * 11,67 * 9,81 ⇒ Gr = = 3,583 * 1014 (0,78 *10 ) −3 2 ta thấy Gr*Pr > 2.107 ⇒ Nu = 0,135 * (Pr* Gr ) 0,33 = 14456 Nu * λ dd ⇒ α2 = = 5300 (W/m2K) l (6). q 2 = α 2 * Δt 2 = 61851(W / m 2 ) (7). qtb = 64197,25(W/m2) (8). ss=0.035=3,5% (thoả) Vậy hệ số truyền nhiệt giai đoạn này 1 K= = 781(W / m 2 K ) 1 1 + 9,653 * 10 − 4 + 7921,83 5300 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 dQ ⇒ F.d T= K (T − t ) Lấy tích phân ta được Q dQ F.T2 = ∫ K (T − t ) 0 (1) T2 : thời gian cô đặc ( không kể thời gian gia nhiệt cho dung dịch đầu đến 83.48oC ), s Q : nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình này, J trang 20