Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Tải bản đầy đủ - 0trang

Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Từ số liệu ban đầu và phương trình (3.2), ta tính được khối lượng sản phẩm

sau khi cơ đặc:

Tương tự, từ phương trình (3.4), ta tính được lượng dung mơi bốc hơi trong

q trình cơ đặc:



G_đ=

xđ = 10% (w/w)



ρ_đ.V_đ

11090 (kg/h)

Cơ đặc



Hình 3.3 Sơ đồ khối mơ tả cân bằng vật chất

3.2. Tính cân bằng năng lượng



Chọn áp suất ở thiết bị ngưng tụ bằng 0,5 at. Tra bảng I. 251, ta được nhiệt độ

của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là 80,9 0C (Trang 314, [6]).

∆’’’ là tổn thất thủy lực do quá trình hơi đi từ mặt thống của dung dịch vào

thiết bị ngưng tụ có tổn thất do áp suất. Trong thực tế, nhiệt độ sẽ giảm đi, ∆’’’ =

(1÷1,5) 0C [1]. Chọn ∆’’’ = 1 0C.

Ở cùng điều kiện áp suất, ta có:

∆’” = tsdmnc - tnt

Suy ra, tsdmnc = ∆’” + tnt = 1 + 80,9 = 81,9 0C.



(3.5)



Bảng 2. Nhiệt độ sôi của nước ở các áp suất khác nhau [6]

t (0C)

80

85



P (at)

0,483

0,59

22



i’’ (kJ/kg)

2644

2653



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

90

95



0,715

0,862



2662

2671



Từ bảng 3 và phương pháp nội suy, ta được p0 = 0,5236 at và h=2647,42 kJ/kg.

3.2.1. Xác định tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc

Trong q trình cơ đặc sẽ xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ. Tổng tổn thất này

bằng tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung môi nhỏ hơn nhiệt độ sôi của dung

dịch (∆’), do cột áp thủy lực (∆’’) trong nồi và do trở lực thủy lực (∆’’’) [1].

Trên đồ thị (hình 3.2), trục tung biểu diễn chiều cao H của thiết bị, còn trục

hồnh biểu diễn nhiệt độ. Đoạn thẳng đứng 1-2 biểu thị nhiệt độ của hơi đốt ở bên

ngoài ống truyền nhiệt; ở đây coi hơi đốt ở trạng thái bão hòa và nhiệt độ nước

ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt. Điểm 3 là nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống

(lớn nhất) và giảm dần đến tại điểm 5 ở mặt thoáng do áp suất thủy tĩnh. Điểm 4

ứng với nhiệt độ giữa ống truyền nhiệt gọi là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch.

Điểm 6 là nhiệt độ của hơi thứ ở sát mặt thoáng của dung dịch. Điểm 7 là nhiệt độ

của hơi thứ ở trong thiết bị ngưng tụ tht.



H

7



Hơi thứ



6

Nguyên liệu vào



5

1



4



Hơi đốt



2

3



Nước ngưng

Sản phẩm



23



t



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Hình 3.4 Đồ thị thay đổi nhiệt độ trong quá trình cơ đặc [1].

1-2: Nhiệt độ hơi đốt; 3: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt; 4:

Nhiệt độ sơi trung bình của dung dịch; 5-6: Nhiệt độ sôi của dung dịch và của hơi

thứ ngay trên mặt thoáng; 7: Nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ.

Từ đồ thị, ta xác định được:

∆’ = t5 – t6

(3.6)

∆’’ = t4 – t5

(3.7)

∆’” = t6 – tnt

(3.8)

Khi biết nhiệt độ T và nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ T nt, ta xác định

hiệu số nhiệt độ có ích như sau:

∆t = ∆T – (∆’ + ∆’’ + ∆’’’)

(3.9)

Hay

∆t = ∆T - ∑∆

(3.10)

0

Trong đó, ∆T = T – Tnt, C

(3.11)

0

∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’, C: tổng hiệu số nhiệt độ tổn thất

(3.12)

3.2.1.1. Tổn thất nhiệt độ ∆’

Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi

nguyên chất ở áp suất bất kỳ được xác định theo công thức gần đúng của Tisenco

(tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi

nguyên chất) [7]:

∆’ = ∆’0.f

(0C);

(3.6)

Trong đó, ∆’0 là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt

độ sôi của dung mơi ở áp suất thường (áp suất khí quyển); f là hệ số hiệu chỉnh.

(3.7)

Trong công thức (3.6), T - (K) là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp

suất đã cho; r - (J/kg) là ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi ngun chất ở áp suất làm

việc.

Bảng 3. Giá trị f theo nhiệt độ sôi của nước nguyên chất [7]

t, 0C

35



f

0,6370

24



t, 0C

85



f

0,9057



Đồ án Thiết kế máy thiết bị

40

45

50

55

60

65

70

75

80



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

0,6609

0,6854

0,7106

0,7364

0,7628

0,7899

0,8177

0,8643

0,8755



90

95

100

105

110

115

120

125

130



0,9362

0,9677

1,0000

1,0333

1,0674

1,1025

1,1384

1,1757

1,2135



Nếu dung môi nguyên chất là nước sạch thì ứng với các nhiệt độ sơi khác

nhau, ta có được các giá trị f tương ứng.

Với p0 = 0,5236 at, tra bảng I. 250 [6], kết hợp phép nội suy, ta được r =

2305,1.103 (J/kg).

Từ (3.7), ta tính được hệ số hiệu chỉnh f:



Bảng 4. Tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ C% của NaOH ở áp suất thường [7]



C%

03

05

10

15

20

25

30

35

40

45



∆’0

0,8

1,0

2,8

5,0

8,2

12,2

17,0

22,0

28,0

35,0



C%

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95



∆’0

42,2

50,6

59,5

69,0

79,6

92,0

106,6

124,0

145,5

147,5



Từ bảng 4, ta tra được với C% = 30% thì ∆’0 = 17,0.

Từ (3.6), suy ra ∆’ = ∆’0.f = 17,0.0,89 = 15,13 0C.

Suy ra: tsdd(p0) = tsdm (p0) + ∆’ = 81,9 + 15,13 = 97,03 0C.

3.2.1.2. Tổn thất nhiệt độ ∆’’

Tổn thất nhiệt độ ∆’’ do cột áp thủy tĩnh trong ống truyền nhiệt. Tổn thất này

là do nhiệt độ ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn nhiệt độ sơi của dung dịch ở trên

mặt thống. Trong kỹ thuật thường tính áp suất ở khoảng giữa ống truyền nhiệt [1].

(3.8)

25



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Hay

(3.9)

Trong đó:

P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng của dung dịch;

h1 (m) – chiều cao dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng;

h (m) – chiều cao của ống truyền nhiệt;

ρdd (kg/m3) – khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi;

g (m/s2) – gia tốc trọng trường.

Bảng 5. Khối lượng riêng (kg/m3) của dung dịch NaOH ở các nhiệt độ khác nhau [6]



x (%)

28

32

36

40

44

48



80 0C

1268,2

1309,7

1349,8

1388,9

1426,6

1464,1



100 0C

1254,6

1296,0

1336,0

1375,0

1412,7

1450,3



Tại

nhiệt



độ sôi của dung dịch bằng 97,03 0C, kết hợp số liệu ở bảng 4 và phép nội suy, ta

tính được khối lượng riêng của dung dịch NaOH: ρNaOH = 1277,3 kg/m3

Chọn h1 = 0,5 (m); h = 1,5 (m).

Từ công thức (3.9), suy ra:

Sử dụng phép nội suy, ta tính được tsdm (Ptb) = 88,72 0C.

Ta có: ∆’’ = tsdm (Ptb) – tsdm (P0) = tsdd (Ptb) – tsdd (P0)

(3.10)

Suy ra: tsdd (Ptb) = tsdm (Ptb) – tsdm (P0) + tsdd (P0)

= 88,72 – 81,9 + 97,03 = 103,85 0C.

Và ∆’’ = 88,72 – 81,9 = 6,82 0C.

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ: ∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’= 15,13 + 6,82 + 1 = 22,95 0C.

Chọn áp suất hơi đốt bằng 4 at, tD = 142,8 0C.

Ta có: ∆thi = T – ts

(3.11)

∆thi – hiệu số nhiệt độ hữu ích của thiết bị cơ đặc;

T (0C) – nhiệt độ hơi đốt;

ts (0C) – nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc. t s = tbt + ∑∆ (với tbt là nhiệt độ của

hơi thứ).

Vậy ∆thi = 142,8 – ( 80,9 + 22,95) = 38,35 0C.

Bảng 6. Các giá trị thông số cân bằng vật chất đã tính tốn



26



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cơ đặc một nồi NaOH





Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị



10

n

xc

30

h



11042

Gc

3680,67

HƠI THỨ

Suất lượng

W

7361,33

Áp suất

P0

0,5236

Nhiệt độ

tsdm (P0)

81,9

Entanpi

h2

2647,42

Ẩn nhiệt ngưng tụ

r

2305,1

HƠI ĐỐT

Áp suất

PD

4

Nhiệt độ

tD

142,8

Ẩn nhiệt ngưng tụ

rD

2141

TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở P0

tsdd (P0)

105,3

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

∆’

15,13

Áp suất trung bình

Ptb

0,683

Nhiệt độ sơi của dung mơi ở Ptb

tsdm (Ptb)

88,72

Tổn thất nhiệt do cột thủy tĩnh

∆’’

6,82

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb

tsdd (Ptb)

103,85

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống

∆’

1

Tổng tổn thất nhiệt độ

∑∆

22,95

Hiệu số nhiệt độ hữu ích

∆thi

38,95

cân bằng nhiệt

3.2.2.1. Các đại lượng trong cân bằng nhiệt

Trong quá trình cơ đặc một nồi, ta có các đại lượng sau:

D (kg/s) – lượng hơi đốt vào nồi;

h1 (kJ/kg) – entanpi hay nhiệt lượng riêng của hơi đốt;

tđ, tc (0C) – nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch cô đặc;

θ

(0C) – nhiệt độ của nước ngưng (coi nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ

3.2.2.



Thông số

Nồng độ đầu

Nồng độ cuối

Năng suất nhập liệu

Năng suất tháo liệu



của hơi đốt);

Cđ, Cc, Cn (kJ/(kg.độ)) – nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, sản phẩm cuối và

nước ngưng;

h2 (kJ/kg) – entanpi hay nhiệt lượng riêng của hơi thứ;

Nhiệt lượng vào thiết bị cơ đặc:

• Do dung dịch ban đầu:

Gđ.Cđ.tđ

• Do hơi đốt:

D.h1

27



(kW);

(kW);



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị cô đặc:

• Do sản phẩm:

Gc.Cc.tc

(kW);

• Do hơi thứ:

W.h2

(kW);

θ

• Do nước ngưng:

D.Cn.

(kW);

• Do nhiệt cơ đặc:

Qc = Gđ.xđ.∆q(kW);

• Do nhiệt tổn thất ra mơi trường: Qtt

(kW).

Ta thiết lập được phương trình cân bằng nhiệt:

θ

Gđ.Cđ.tđ + D.h1 = Gc.Cc.tc + W.h2 + D.Cn. + Qc + Qtt

(3.12)

Mặt khác: Gc.Cc.tc = Gđ.Cđ.tđ - W.Cn.tc

(3.13)

θ

Và Q = D(h1 – Cn. ) = W(h2 – Cn.tc) + Gđ.Cđ.(tc – tđ) + Qc + Qtt

(3.14)

Suy ra:

(3.15)

Nhiệt độ của dung dịch NaOH trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:

tvào=30oC

tra= tsdd (P0)=105.3oC

Suy ra: Nhiệt độ vào thiết bị cô đặc là.

Nhiệt độ vào tđ = tsdd (P0) = 105,3 0C (dung dịch NaOH 10% w/w).

Nhiệt độ ra tc= tsdd (P0) + 2Δ’’ = 105.3 + 2.6,82 = 118,94 0C (dd NaOH 30%

w/w).

Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ:

Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính như

sau [6]:

Đối với dung dịch loãng (x < 0,2):

C = 4186.(1-x)

, J/(kg.độ)

(3.16)

• Đối với dung dịch đậm đặc (x > 0,2):

C = Cht.x + 4186.(1-x), J/(kg.độ)

(3.17)

Với x là nồng độ % chất hòa tan; C ht – nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan





(khơng chứa nước), J/(kg.độ).

M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 +… + nn.cn

(3.18)

Với: M là khối lượng mol của hợp chất; n 1, n2, n3,… là số nguyên tử của các

nguyên tố trong hợp chất; c1, c2, c3,… là nhiệt dung riêng nguyên tử của các

nguyên tố trong hợp chất (J/(kg nguyên tử.độ))

Vậy:

• Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH 10%:

Cđ = 4186.(1 – 0,1) = 3767,4 (J/(kg.độ))



(J/(kg.độ))

• Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH 30%

28



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Cc = 1310,75.0,3 + 4186.(1-0,3) = 3323,4 (J/(kg.độ))

3.2.2.2. Phương trình cân bằng nhiệt

Ta có phương trình cân bằng nhiệt:

θ

Gđ.Cđ.tđ + D.h1 = Gc.Cc.tc + W.h2 + D.Cn. + Qc + Qtt

(3.19)

Trong q trình cơ đặc, ta có thể xem như nhiệt cô đặc bằng 0:

Qc = Gđ.xđ.∆q = 0

Nước ngưng có nhiệt độ đầu ra bằng nhiệt độ của hơi đốt vào, ta có:

θ

h1 – Cn. = rD = 2141 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

Trong hơi nước bão hòa, bao giờ cũng có một lượng nước ngưng bị cuốn theo

khoảng (độ ẩm của hơi).

Suy ra nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là:

θ

D.(1- ). (h1 – Cn. ), W

Nhiệt tổn thất ra môi trường Qtt = 0,05.Q

Từ (3.19), (3.20) và (3.21), ta được:

θ

Q = D(h1 – Cn. ) = W(h2 – Cn.tc) + Gđ.Cđ.(tc – tđ) + Qc + Qtt

= D.(1- ).rD = W(h2 – Cn.tc) + Gđ.Cđ.(tc – tđ) + 0,05.Q

Từ (3.19), (3.20) và (3.21), ta được:

θ

Q = D.(1- ).(h1 – Cn. ) = W(h2 – Cn.tc) + Gđ.(cc.tc – cđ.tđ) + Qtt

= D.(1-ε).(1- ).rD = W(h2 – Cn.tc) + Gđ.(cc.tc – cđ.tđ) (3.23)

Lượng hơi đốt biểu kiến:

D=



(3.20)

(3.21)



(3.22)



=

= 2,2116 (kg/s)

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:

QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD = 2.2116.(1 – 0,05).(1-0,05).2141000 = 4273301,6 (W)

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

d = = = 1.0815

(kg hơi đốt/kg hơi thứ)

Bảng 7. Các giá trị thơng số cân bằng nhiệt đã tính tốn

Thơng số

Nhiệt độ vào buồng bốc

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt

Nhiệt dung riêng dung dịch 18%

Nhiệt dung riêng dung dịch 30%

Nhiệt tổn thất

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp



Ký hiệu



tc



cc

Qtt

QD

29



Đơn vị

o

C

o

C

J/(kg.K)

J/(kg.K)

W

W



Giá trị

105,3

118,94

3767,4

3323,4

213665,5

4273301,6



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Lượng hơi đốt biểu kiến

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng



D

d



30



kg/s

kg/kg



2,2116

1,0815



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

A. TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

4.1. 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 h 0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hồ

tinh khiết trên bề mặt đứng. Công thức (V.101), trang 28, [9] được áp dụng:

(4.1)

Trong đó:

• α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/(m2.K)

• r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at (2141 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 = = = 141,425 oC

(Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngồi tv1 = 140,05 oC)

Tra A ở [7], trang 28:

tm



0



20



40



60



80



100



120



140



160



180



200



104



120



139



155



169



179



188



194



197



199



199



0



C

A



Nội suy với tm =141.425 oC ta được A=194,195

Δt1 = tD – tv1 = 142,8 – 139,3 = 2,75 oC





10633,26 (W/m2.K)

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:

q1 = α1.Δt1 = 10633,26.2,75 = 29241,46W/m2

31



Đồ án Thiết kế máy thiết bị

4.2.



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi

Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [7]:

2

; W/(m .K)

(4.2)

Trong đó:

• αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sơi sủi

bọt nên αn được tính theo cơng thức (V.91), trang 26, [7]:

αn = 0,145.p0,5.Δt2,33

(4.3)

với p = po = 0,5236 at = 51347,62 N/m2

Sau khi tính lặp, tv2 = 112,36 0C

⇒ Δt = Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) = 112,36 – 103,85 = 9,36 0C

⇒ αn = 0,145.51347,620,5.9,362,33 = 6021,45 W/(m2.K)

• cdd = 3323,4 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)

• cdm = 4235,5 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb)

• = 0,001806 Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb)

• = 0,000323 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb)

• ρdd = 1274,03 kg/m3 - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)

• ρdm = 966,95 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb)

• λdd = 0,5904 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb)

• λdm = 0,679 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb)

cdm, , ρdd, λdd



tra bảng I.249, trang 311, [6

tra bảng 9, trang 16, [13]



ρdd



tra bảng 4, trang 11, [13]



λdd



được tính theo cơng thức (I.32), trang 123, [6]



Cơng thức I.32:

(4.4)

• 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

Trong đó a là phần mol của NaOH.

Xem nồng độ NaOH trong dung dịch là 30% (nồng độ đầu ra xc)

A = = = 0,161677

M = 0,161677.40 + (1 – 0,161677).18 = 21,55689 kg/kmol

Từ (4.4),

(W/(m.K))

32



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×