Đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH – Luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
I Nhiệm Vụ Của Đồ Án
– Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH.
– Nồng độ dịch ban đầu 10%
– Nồng độ sản phẩm 20%
– Áp suất chân không cô đặc 0,65at
– Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (chọn)
II Giới Thiệu Về Nguyên Liệu
Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nước (1110 g/l ở 20oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín.
Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH.

64 trang

|

Chia sẻ: thanhlinh222

| Lượt xem: 12199

| Lượt tải: 5

Bạn đang xem trước

20 trang

tài liệu Đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & VẬT LIỆU
———-o0o———-
BÁO CÁO
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG MỘT NỒI LIÊN TỤC ĐỂ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH
GVHD: Tiền Tiến Nam
SVTH: Vũ Thị Mỹ Thi
MSSV: 2004140463
Lớp: 05DHHH3
Khóa học : 2014 – 2018
Thành Phố Hồ Chí Minh 5/2017
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
Một môn học nữa lại qua, đối với chúng em với môn học “ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ” cung cấp cho em nhiều kiến thức về vận hành, thiết kế hệ thống và nhất là hệ thống cô đặc vì đề tài của em làm là cô đặc NaOH.
Sau 12 tuần làm việc của môn đồ án và sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Tiền Tiến Nam thuộc bộ môn QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM, chúng em đã đi đến ngày hôm nay đã hoàn thành môn đồ án môn học “QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ” với những gì đã qua em xin chân thành cảm ơn thầy Tiền Tiến Nam, các thầy cô trong bộ môn “QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ” và các bạn chung khóa đã giúp em hoàn thành môn đồ án này.
Vì đồ án này là một đề tài lớn đầu tiên của em, điều thiếu xót và hạn chế là không thể tránh khỏi. Mong được sự đóng góp ý kiến , chỉ dẫn từ các thầy và bạn bè để củng cố thêm kiến thức chuyên môn.
Em xin chân thành cảm ơn.
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
Nhiệm Vụ Của Đồ Án
Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH.
Nồng độ dịch ban đầu 10%
Nồng độ sản phẩm 20%
Áp suất chân không cô đặc 0,65at
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (chọn)
Giới Thiệu Về Nguyên Liệu
Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nước (1110 g/l ở 20oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín.
Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH.
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
Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO2 loãng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.
Khái Quát Về Cô Đặc
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.
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.
Ứng Dụng
Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chín, các dung dịch nước trái cây
Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cô…
Thiết Bị Cô Đặc
Phân Loại
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.
Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được 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 chân không.
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 lớn vì 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 tự động 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.
Hệ Thống Cô Đặc Chân Không Liên Tục
Các Thiết Bị Và Chi Tiết Trong 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
PHẦN 2: THUYẾT TRÌNH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 10%. 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 4 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.
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. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài.
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 chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không 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.
Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc.
PHẦN 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Cân Bằng Vật Chất Và Năng Lượng
Dữ Kiện Ban Đầu
Nồng độ nhập liệu: xđ=10%
Nồng độ sản phẩm: xc=20%
Áp suất chân không Pck=0,65at Pc=0,35
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 =300C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa P=3at
Cân Bằng Vật Chất
Suất Lượng Nhập Liệu (Gđ)
Gđxđ=Gcxc
ÞGđ=Gcxcxđ=600.0,20,1=1200 (kg/h)
Tổng Lượng Hơi Thứ Bốc Lên (W)
Gđ=Gc+W
ÞW=Gđ-Gc=1200-600=600 (kg/h)
Tổn Thất Nhiệt Độ
Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là: Pc=1-0,65=0,35 (at)
àNhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tc = 72,050 C
∆”’=1÷1,5℃ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ. Chọn D’’’=10C
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
tsdm(P0) – tc= D’’’ tsdm(P0)= D’’’+ tc = 1 +72,05 =73,050 C
Áp suất buồng bốc tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 73,050 C P0=0,364 (at)
Tổn Thất Nhiệt Độ Do Nồng Độ Tăng (D’)
D’ = D’o f
Trong đó:
D’o- tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường
x = 20% Þ ∆o’=8,2℃
f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển
f=16,14t+2732r
Trong đó:
t – nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(P0) = 73,05oC)
r – ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc.
r = 2325,61 kJ/kg.
Þ f=16,2×73,05+27322325,61×103=0,8342
Þ ∆’=0,8342×8,2=6,84℃
Þtsdd(P0) = D’ + tsdm = 6,84 + 73,05 = 79,89o C
Tổn Thất Nhiệt Độ Do Áp Suất Thủy Tĩnh (D’’)
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ΔP (N/m2), ta có:
Trong đó:
rs – khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; kg/m3
rs = 0,5.rdd
rdd – khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3
Giả sử : tsdd(P+DP)=800 C, C% = xc = 20 %, ta có rdd = 1188 kg/m3
Þrs = 0,5.1188=594 kg/m3
Hop : Chiều cao thích hợp của dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng; m
Hop = [0,26 + 0,0014.(ρdd – ρdm)].h0
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0 = 1,5 m (bảng VI.6, trang 80, [2])
ρdm – khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 800C.
Tra bảng I.249, trang 311, [1], ρdm = 971,8 kg/m3
⇒ Hop = [0,26 + 0,0014.(1188 – 971,8)].1,5 = 0,84402 (m)
⇒ Ptb = P0 + ΔP =0,364 + 0,0251 = 0,3891 (at)
Tra bảng I.251, trang 314, [1], Ptb = 0,3891 (at) Þ tsdm(Ptb) = 74,660C
Ta có:
Δ’’ = tsdm(P0 + ΔP) – tsdm(P0) (trang 108, [3])
Þ Δ’’ = 74,66 –73,05 = 1,61oC
Mặt khác : Δ’’ =tsdd(P0 + ΔP) – tsdd(P0)
Þ tsdd(P0 + DP) = tsdd(P0) + D’’ = 79,89 + 1,61 = 81,5oC
Sai số 1,875% được chấp nhận. Vậy tsdd(Ptb) = 81,5oC
Sản phẩm được lấy ra tại đáy
Þ tsdd(P0 + 2DP) = 79,89 + 2×1,61 =83,11oC
Tổng tổn thất nhiệt
åD = D’ + D’’ + D’’’ =6,84+ 1,61 + 1 = 9,45oC
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt là 3at, tD=132,90C (bảng I.251, trang 315, sổ tay 1)
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
Dthi = tD – (tc + åD) = 132,9 – (72,05 + 9,45) = 51,4 oC
Thông số
Ký hiệu
Đơn vị
Giá trị
Nồng độ đầu
xđ
%wt
10
Nồng độ cuối
xc
%wt
20
Năng suất nhập liệu
Gđ
kg/h
1200
Năng suất tháo liệu
Gc
kg/h
600
HƠI THỨ
Suất lượng
W
kg/h
600
Áp suất
P0
at
0,364
Nhiệt độ
tsdm(P0)
0C
73,05
Enthalpy
iW
kJ/kg
2627,68
Ẩn nhiệt hóa hơi
rW
kJ/kg
2325,76
HƠI ĐỐT
Áp suất
PW
at
3
Nhiệt độ
td
0C
132,9
Ẩn nhiệt ngưng tụ
rD
kJ/kg
2171
TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở P0
tsdd(Po)
0C
79,89
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Δ’
0C
6,84
Áp suất trung bình
Ptb
at
0,3891
Nhiệt độ sôi của dung môi ở Ptb
tsdm(Ptb)
0C
74,66
Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh
Δ’’
0C
1,61
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb
tsdd(Ptb)
0C
83,11
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống
Δ’’’
0C
1
Tổng tổn thất nhiệt độ
ΣΔ
0C
9,45
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích
Δthi
0C
51,4
Cân Bằng Năng Lượng
Cân Bằng Nhiệt Lượng
Gọi : D: lượng hơi đốt vào nồi , kg/s
I: hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg
tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, oC
q(= tD): nhiệt độ của nước ngưng, coi nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt
Cd, Cc, Cn: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng
i: hàm nhiệt của hơi thứ J/kg
Dòng nhiệt vào:
Do dung dịch đầu: Gđcđtđ
Do hơi đốt: D.I
Dòng nhiệt ra :
Do sản phẩm mang ra: Gccctc
Do hơi thứ mang ra: Wi
Do nước ngưng: Dcnq
Nhiệt độ cô đặc: Qcd
Nhiệt tổn thất: Qtt
Nhiệt độ của dung dịch NaOH 10 % trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt :
tvào = 30oC
tra = tsdm (Po) = 79,89oC
⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaOH 10 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 79,89oC
⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaOH 20 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:
tc= tsdd(P0) + 2Δ’’ = 79,89+ 2.1,61 = 83,11oC (công thức 2.15, trang 107, [3])
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức
(I.43) và (I.44), trang 152, [1]:
x = 10 % (x < 0,2):
Þ Cđ = 4186.(1 – x) = 4186.(1 – 0,1) = 3767,4 (J/kg.K)
x = 20 % (x = 0,2):
ÞCc = xcht +4186(1-x) =1310,75.0,2 + 4186(1-0,2)= 3610,95 [J/(kg.K)]
Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141, trang 152, [1]:
Phương Trình Cân Bằng Nhiệt
GđCđtđ + DI + jDCntD = Wi + GcCctc + DCnq + Qc + Qtt
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).
ÞNhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là: QD = D(1-j)(I-Cnq) (W)
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì I-Cnq = rD= 2171000(J/kg) (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)
GđCđtđ + D(1-j)( I-Cnq) = Wi + GcCctc + Qtt
Thay Qtt = εQD = 0,05QD , QD = D(1-j)(I-Cnq), GcCctc = (Gđ – W) Cctc
Þ D(1-e)(1-j)(I-Cnq) = Gđ(Cđtđ –Cctc) + W(i –Cctc)
ÞD=GđCđtđ-Cctc+Wi-Cctc1-ϵ1-φrD
=12003610,95×83,11-3667,4×79,89+6002627680-3667,4×79,893600×1-0,05×1-0,05×2171×103=0,2 (kg/s)
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = D(1-j)rD =0,2(1-0,05)2171.103 = 412490 (W)
Nhiệt tổn thất: Qtt = 0,05QD =20624,5 (W)
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
d=DW=0,26003600=1,2 (kg hơi đốt/ kghơi thứ)
Thông số
Ký hiệu
Đơn vị
Giá trị
Nhiệt độ vào buồng bốc
tđ
0C
79,89
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt
tc
0C
83,11
Nhiệt dung riêng dung dịch 10%
cđ
J/(kg.K)
3767,4
Nhiệt dung riêng dung dịch 20%
cc
J/(kg.K)
3610,95
Nhiệt tổn thất
Qtt
W
20624,5
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
QD
W
412490
Lượng hơi đốt biểu kiến
D
kg/s
0,2
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
d
kg/kg
1,2
Thiết Kế Thiết Bị Chính
Tính Toán Truyền Nhiệt Cho Thiết Bị Cô Đặc
Trong đó:
a1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K)
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 3 at (2171 kJ/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: tm=tD+tv12
Sau nhiều lần tính lặp ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1=128,1oC
Þ tm=132,9-128,12=130,5
Tra A ở [9], trang 40:
tm; 0C
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
A
104
120
139
155
169
179
188
194
197
199
199
Tra bảng và nội suy ta được: A= 191,15
ÞDt1 = tD – tv1 = 132,9 – 128,1 = 4,8 oC
Þ α1=2,04×191,15×2171×1031,5×4,80,25=9137,6875 (W/m2K)
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng
Þ q1 = a1.Dt1 = 9137,6875.4,8= 43860,9 (W/m2K)
Ta có công thức:
Trong đó: Σrv – tổng trở vách; m2.K/W
r=r1+δλ+r2=0,3448.10-3+0,00216,3+0,387.10-3=0,8545.10-3(m2/KW)
Với:
r1=12900=0,3448.10-3(m2K/W) – nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]).
r2 = 0,387.10-3 m2.K/W – 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 = 2 mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt
λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)
Δtv = tv1 – tv2 ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường.
Với quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2.
Dtv = qvårv= 43860,9.0,8545.10-3=37,48 oC
Þ tv2= 90,62oC
Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]:
an- hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt an nên được tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]:
an=0,145P0,5Dt2,33
Với P= P0 = 0,364 at = 35696,21 (N/m2)
Dt2 = tv2 – tsdd(Po) = 90,62 – 80 = 10,62 oC
Þ an = 0,145. 35696,210,5. 10,622,33 = 6738,28 (W/m2K)
cdd = 3610,95 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb)
cdm= 4190,736 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(Ptb)
mdd= 0,00127 Pa.s – độ nhớt của dung dịch ở tsdd(Ptb)
mdm= 0,0003794 Pa.s – độ nhớt của nước ở tsdm(Ptb)
rdd= 1188 kg/m3 – khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb)
rdm= 975 kg/m3 – khối lượng riêng của nước ở tsdm(Ptb)
λdd= 0,596W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(Ptb)
λdm = 0,6708W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(Ptb)
trong đó:
A – hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng.
Đối với chất lỏng liên kết, A = 3,58.10-8
M – khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O.
M = a.MNaOH + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol
M=0,1011.40+0,8989.18=20,2242(đvC)
a được xem là phần mol của dung dịch NaOH
Xem nồng độ NaOH trong dung dịch là 20% (xc)
Þλdd=3,58.10-8.3610,95.1186,65.31186,6520,2242=0,596 W/(m.K)
Þα2=6738,28×0,5960,6790,565×11889752×3610,954190,736×0,0003790,001270,435
=4121,42 (W/m2K)
Nhiệt tải riêng phía dung dịch:
q2 = a2.Dt2 =4121,42.10,62 = 43769,48(W/m2)
Sai số tương đối của q2 so với q1:
δq=q1-q2q1×100=43860,9-43769,4843860,9×100=0,21%
δq≤5% nên sai số được chấp nhận (các thông số đã được chọn phù hợp).
Nhiệt tải riêng trung bình: qtb=q1+q22=43860,9+43769,482=43815,