Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án môn học quá trình và thiết bị. Bộ môn quá trình và thiết bị. Trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài: Thiết kế thiết bị cô đặc NaOH hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm. Giáo viên hướng dẫn: Trịnh Văn Dũng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Bộ mơn Q trình & Thiết bị ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ MSMH: 605040 Thiết kế thiết bị cô đặc NaOH hai nồi xuôi chiều có ống tuần hồn trung tâm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Trịnh Văn Dũng SINH VIÊN THỰC HIỆN : Lê Phúc Sang MSSV: 61203096 Lớp: HC12VS Ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Năm học 2015-2016 Mục lục ĐỒ ÁN MƠN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ Họ tên : Lê Phúc Sang Lớp : HC12VS Khoa : Kĩ thuật hóa học Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Văn Dũng NỘI DUNG ĐỀ BÀI Thiết kế thiết bị cô đặc nồi xi chiều có ống tuần hồn trung tâm để cô đặc dung dịch NaOH -Năng suất sản phẩm: 3500 kg/h -Nồng độ đầu: 15% khối lượng -Nồng độ cuối: 41% khối lượng -Áp suất ngưng tụ: Pnt = 0,2 at Nhận xét giáo viên TP.HCM ,ngày tháng Người nhận xét năm Phần I: TỔNG QUAN I.Tính chất NaOH -Natri hydroxid NaOH nguyên chất chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy 318 oC sơi 1388 oC áp suất khí NaOH tan tốt nước (1110 g/l 20 oC) hồ tan toả nhiệt mạnh NaOH tan dung môi hữu methanol, ethanol… NaOH rắn dung dịch NaOH dễ hấp thụ CO2 từ khơng khí nên chúng cần chứa thùng kín - Dung dịch NaOH base mạnh, có tính ăn da có khả ăn mịn cao Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mịn thiết bị đảm bảo an tồn lao động trình sản xuất NaOH II.Phương pháp chế biến Trước công nghiệp, NaOH sản xuất cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 lỗng nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu thường có nồng độ lỗng, gây khó khăn việc vận chuyển xa Để thuận tiện cho chuyên chở sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến nồng độ định theo yêu cầu III.Thiết bị đặc -Có nhiều loại thiết bị đặc, bao gồm : thiết bị đặc có + Buồng đốt thẳng đứng + Buồng đốt treo + Buồng đốt ngồi nằm ngang + Buồng đốt có ống tuần hồn trung tâm + Buồng đốt có ống tuần hoàn -Tùy vào trường hợp mà ta sử dụng thiết bị đặc khác đồ án chọn thiết bị đặc buồng đốt có ống tn hồn trung tâm, chọn thiết bị thiết bị có cấu tạo đơn giản , dễ vệ sinh sửa chửa nhiên thiết bị cho tuần hoàn nhỏ nên hệ số truyền nhiệt thấp , suất khơng cao so với thiết bị có buồng đốt ngồi IV.Phương pháp đặc - Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn - Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp áp suất chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục - Cơ đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi không nên lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta chân khơng, áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế - Cô đặc liên tục: cho kết tốt đặc gián đoạn Có thể điều khiển tự động chưa có cảm biến đủ tin cậy Phần II.THUYẾT MINH QUY TRÌNH -Nguyên liệu ban đầu dung dịch NaOH có nồng độ 15% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ bố trí theo đỉnh hình tam giác Nguồn nhiệt nước bão hồ có áp suất 3.7 at bên ngồi ống (phía vỏ) Dung dịch từ lên bên ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ bề mặt ống cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau gia nhiệt chảy vào thiết bị đặc để thực q trình bốc Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy chảy ngồi Ngun lý làm việc nồi đặc: Phần thiết bị buồng đốt, gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch ống đốt (hơi nước bão hồ) khoảng khơng gian ngồi ống Hơi đốt ngưng tụ bên ống truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động ống Dung dịch ống theo chiều từ xuống nhận nhiệt đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hố phần dung mơi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy để chảy -Nguyên tắc hoạt động ống tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống Đối với ống tuần hồn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt nên lượng tạo ống truyền nhiệt lớn Phần phía thiết bị buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – thành dòng Hơi thứ lên phía buồng bốc, đến phận tách giọt để tách giọt lỏng khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống thứ tiếp tục lên Dung dịch cịn lại hồn lưu.Hơi thứ từ nồi tiếp tục dùng để đun nóng cho nồi Dung dịch sau đặc bơm ngồi theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ khí khơng ngưng từ phía buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh nước bơm vào ngăn dòng thứ dẫn vào ngăn thiết bị Dòng thứ lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí khơng ngưng tiếp tục lên trên, dẫn qua phận tách giọt bơm chân khơng hút ngồi Khi thứ ngưng tụ thành lỏng thể tích giảm làm áp suất thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet thiết bị ổn định chân khơng, trì áp suất chân khơng hệ thống Thiết bị làm việc áp suất chân khơng nên phải lắp đặt độ cao cần thiết để nước ngưng tự chảy ngồi khí mà khơng cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn với nhiệm vụ tách giọt lỏng bị lơi theo dịng khí khơng ngưng để đưa bồn chứa nước ngưng Bơm chân nhiệm vụ hút khí khơng ngưng ngồi để tránh trường hợp khí khơng ngưng tích tụ thiết bị ngưng tụ nhiều, làm tăng áp suất thiết bị nước chảy ngược vào nồi đặc Phần III Tính tốn thiết kế thiết bị I.TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT Dữ kiện ban đầu Nồng độ đầu: xđ = 15 % Nồng độ cuối: xc = 41 % Năng suất sản phẩm: Gc = 3500 kg/h 2.Năng suất nhập liệu Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Áp dụng phương trình cân vật chất => Gđ xđ = Gc.xc Gd = => Gc xc 3500*0.41 = = 9566.667 xd 0.15 kg/h Lượng thứ bốc lên toàn hệ thống Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Gđ = W + Gc ⇒ W = Gđ – Gc = 9566.667 – 3500 = 6066.667 kg/h Chọn tỉ lệ phân phối thứ nồi W1 = 1.1 W2 Giả sử tỷ lệ bốc lên từ nồi nồi : Ta có hệ phương trình: WI = 1 W II WI + WII = 6066.667 W1 =3177.778 kg/h W2 =2888.889 kg/h Xác định nồng độ dung dịch nồi G x 9566.667 * 0.15 x 'c = d d = = 0.2246 Gd − W1 9566.667 − 3177.778 Nồng độ cuối khỏi nồi : =22.46% Nồng độ cuối khỏi nồi 2: x”c =41% II CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 1.Xác định áp suất nhiệt lượng nồi Theo đề ta có Pnt =0.2 at , chọn áp suất đốt vào nồi P1=3.7 at HIệu số áp suất hệ thống cô đặc : ∆Pt =P1 – Png = 3.7 – 0.2= 3.5 at Chọn tỷ số phân phối nồi : ∆P1/∆P2=4/3 =>∆P1=2 , ∆P2=1.5 Dựa vào kiện ta tra bảng I.250/312 ST QTTB tập ta Loại Nồi Áp suất Nhiệt độ Nồi Áp suất Nhiệt độ Tháp ngưng tụ Áp suất Nhiệt độ Hơi đốt Hơi thứ (oC) 139.9 115 (at) 3.7 1.76 (at) 1.7 0.21 (oC) 114.5 60.7 (at) (oC) 0.2 59.7 2.Xác định nhiệt độ tổn thất a.Tổn thất nồng độ tăng cao ∆’ Theo công thức Tisencô (VI.10), trang 59, [2]: ∆’=∆’o f Trong đó: ∆’o - tổn thất nhiệt độ nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi áp suất khí f: hệ số hiệu chỉnh khác áp suất khí quyển, tính theo cơng thức VI.11, trang 59, [2]: (273 + t 'i ) f = 16.2 ri Trong đó: t - nhiệt độ thứ r - ẩn nhiệt hoá dung môi nguyên chất áp suất làm việc Tra bảng VI.2, trang 67, [2]: Tại nồng độ x’c=20.22% ta có ∆’o = 10.6 oC ,ro=2252.103 J/kg => (115 + 273) ∆ '1 = 16.2 × 10.6 × = 12.010 C 2252 ×10 Tại nồng độ x’c= 41% ta có ∆’o =29.4oC ,r0=2221.103 J/kg ∆ '2 = 16.2 × 29.4 × => => ∑∆' = ∆' + ∆' (60.7 + 273) = 23.880 C 2221×103 = 12.04 + 23.88 = 35.91 o C b.Do áp suất thủy tĩnh ∆” Ptb = Po + (h1 + Áp dụng CT VI.13 ST QTTB tập : ρ ×g h2 ) × dds 9.81×104 Với Po: Áp suất thứ h1: chiều cao lớp dung dịch sôi, chọn h1 =1m h2: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h2 =2m ρ dds : khối lượng riêng dung dịch sôi= nửa khối lượng riêng dd sôi 20 oC Tra bảng I.23 trang 34 ST QTTB tập : ρ dd ρ dd nồi 1= 1243 kg/m3 => nồi 2= 1440 kg/m => Nồi 1: Nồi 2: => ρ dds =621.5 kg/m3 ρ dds =720 kg/m3 621.5 × 9.81 Ptb1 = 1, 76 + (1 + ) × = 1.88 9.81× 104 740 × 9.81 Ptb = 0.21 + (1 + ) × = 0.354 9.81× 104 ∑ ∆" = ∆" + ∆" at => ttb1=117oC=> ∆”=117-115=2oC at => ttb2=72.09oC =>∆”=72.09-60.7=11.39oC = + 11.39 = 14.39 o C c Tổn thất trở lực đường ống ∆’” Tổn thấp đường ồng từ nồi sang nồi từ nồi sang tháp ngưng tụ, ta chấp nhận chọn: ∆’”1=0.5oC, ∆’”2=1oC ∆’”=2.5oC d Tổng tổn thất tồn hệ thống đặc ∑ ∆ = ∑ ∆ '+ ∑ ∆ "+ ∑ ∆ '" = 35.91 + 14.39 + 1.5 = 51.1 o C Hiệu số hữu ích nồi ∆t1 = T1 − (T2 + ∑ ∆1 ) = 139.9 − (115 + 12.01 + 2.8 + 0.5) = 10.89 o Nồi 1: C Nhiệt độ sôi thưc tế ts1=T1Nồi 2: ∆ t1 =139.9-10.89=129.01oC ∆t = T2 − (Tnt + ∑ ∆ ) = 115 − (59.7 + 23.88 + 11.39 + 1) = 18.52 o C Nhiệt độ sôi thức tế nồi ts2=T2- ∆t =115-18.53=95.97oC 4.Cân nhiệt lượng a.Tính nhiệt lượng riêng nồi Nhiệt dung riêng dung dịch NaOH nồng độ khác tính theo cơng thức (I.43) (I.44), trang 152, [1]: xd = 15 % (a < 0.2): cđ = 4186.(1 - a) = 4190.(1 – 0.15) =3561.5 J/(kg.K) xc= 41 % (a > 0.2): cc = 4190 - (4190 - cct).xc = 4190 – (4186 – 1310).0.41 = 3009.2 J/(kg.K) Với cct nhiệt dung riêng NaOH khan, tính theo cơng thức (I.41) bảng I.141, trang 152, [1]: Cct = Cna × + CO × + C H × = 1310 M ct J/kg.K Với giá trị Can,CO,CH tra bảng I.141 trang 152 ST QTTB tập CNa= 26000 J/kg.K CO= 18600 J/kg.K CH=9630 J/kg.K Mct=40 b Phương trình cân bang nhiệt lượng Nồi 1: D.i+GD.CD.tD=W1.i1+(GD – W1)C1.t1+D.Cng1 θ1+Qm1 Nồi 2: W1.i1+(GD –W1)C1.t1=W2.i2+(GD – W)C2.t2+W1.Cng2.θ2+Qm2 Trong đó: D: Lượng thứ đốt toàn hệ thống kg/h i: Hàm nhiệt tương ứng C: Nhiệt dung riêng dung dịch ứng với mõi nồng độ θ:nhiệt độ nước ngưng T:nhiệt độ dung dịch Và 10 ×t l= =46.07 mm – xác định theo hình 8-14, trang 182, [7] với ống bố trí theo đỉnh tam giác t = 0,0532m – bước ống Nồi I: P=p1-p1’=3.7-1.76=1.94 at =0.19 N/mm2 σ= p d h 3.6(1 − 0.7 n ) l l = 0.19 = 0.192 38 30 3.6 × (1 − 0.7 × )× 46.07 46.07 N/mm2 Chiều cao thiết bị baromet =4850mm +Kích thước ống baromet Chiều cao ống baromet tính theo cơng thức II-15, trang 102, [4]: H’ = h1 + h2 + h3 ; m Trong đó: H1- Chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h1 tính theo cơng thức VI.59, trang 86, [2]: h1 = 10.33 × Po 760 − 0.21× 735 = 10.33 × = 8.33m 760 760 Po – độ chân không thiết bị ngưng tụ; mmHg H2- Chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống h2 tính theo cơng thức VI.60, trang 87, [2]: h2 = ϖ hba (λ + ∑ζ ) g d ba Chọn hệ số trở lực vào ống ξ1 = 0,5 khỏi ống ξ2 = ⇒ Σξ = 1,5 Nước lạnh nước ngưng tụ có: ttb = 37.5 oC 31 ρn = 993 kg/m3 μn = 0,000543 Ns/m2 Re = ϖ × dba × ρ 0.55 × 0.25 × 993 = = 252847 µ 5.4 × 10−4 ≥ 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: 8/7 d Re gh = ÷ ε 8/7 250 = 6× ÷ 0.2 = 20771.9 Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 9/8 9/8 d 250 Re n = 220 ÷ = 220 ì ữ = 670573 0.2 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: 0.25 ε 100 λ = 0.1 1.46 + ÷ dba Re h2 = 0.25 0.2 100 = 0.11.46 + ÷ 250 252847 = 0.02 ϖ hba 0.552 H (λ + ∑ζ ) = (0.02 + 2.5) g dba × 9.81 0.25 Chọn chiều cao dự trữ h3 = 0,5 m để đề ngăn ngừa nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn áp suất khí tang =>H = 0.552 H (0.02 + 2.5) × 9.81 0.25 +8.33+1 H=9.5m 2.Bồn cao vị Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng dung dịch nhập liệu Bồn đặt độ cao phù hợp nhằm thắng trở lực đường ống cao so với mặt thoáng dung dịch nồi đặc Áp dụng phương trình Bernoulli Z1 + p1 α1.v12 p α v2 + + H = Z + + 2 + h1−2 γ 2g γ 2g 32 Chiều cao mặt thoáng xuống đất : Z=4m Đường kính ống nhập liệu d = 20 mm = 0,02 m Vận tốc dòng chảy ống v= 4.GD × 9556.667 = = 1.088m / s π d ρ 3600 × 3.14 × 0, 052 ×1243 Chuẩn số Re Re = v.d ρ 1.088 × 0, 05 ì1243 = = 12518 5, 4.103 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm 8/7 8/7 d 50 Re gh = ữ = ì ữ = 3301 ε 0.2 9/8 9/8 d 50 Re n = 220 ÷ = 220 ì ữ = 109674 0.2 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: 0.25 ε 100 λ = 0.11.46 + ÷ dba Re 0.25 0.2 100 = 0.11.46 + ÷ 50 12518 = 0.034 Chọn tổng hệ số trỡ lực =10 h1−2 ϖ hba 1.0882 20 = (λ + ∑ζ ) = (0.034 + 10) = 2.65m g dba × 9.81 0.02 ⇒ Khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất: Z1 = + (0,88 − 1) × 9,81×10 + 2.65 = 5.8m 1440 × 9,81 Chọn độ cao bồn cao vị =6m 3.Bơm a.Bơm chân không 33 Công suất bơm m N= pkk Vkk ηCK 10 m − m −1 m p − 1 p1 ÷ Trong đó: m – số đa biến, có giá trị từ 1,2 đến 1,62 Chọn m = 1,6 p1 – áp suất khơng khí thiết bị ngưng tụ p1 = pc – ph = 0,2 – 0,049 = 0,151 at Với: ph – áp suất nước hỗn hợp p2 = pa = at = 9,81.104 N/m2 – áp suất khí Vkk – lưu lượng thể tích khơng khí cần hút ηck = 0,8 – hệ số hiệu chỉnh m −1 1.6−1 m 1.6 Vkk m p 0.05 1.6 N= p1 ÷ − = × 0.151× 9.81× 10 − 1 = 2.547 kW 0.8 1.6 − 0.151 ÷ ηCK m − p1 b.Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ Công suất bơm N= Q.ρ g H 1000.η Trong đó: H – cột áp bơm; m η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 ρ = 993 kg/m3 – khối lượng riêng nước 25 oC Q – lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ; m 3/s Q=0.0015 m3/s Áp dụng phương trình Bernoulli Z1 + p1 α1.v12 p α v2 + + H = Z + + 2 + h1−2 γ 2g γ 2g 34 μ = 0,0008 Ns/m2 – độ nhớt động lực nước 25 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) z1 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bể nước đến mặt đất z2 = 12 m – khoảng cách từ mặt thoáng thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 100 mm = 0,1 m ⇒ v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = 13 m Tốc độ dịng chảy ống: v= 4.Q × 0.0015 = = 0.19 π d π × 0.12 Re = m/s v.d ρ 0.19 × 0.1× 993 = = 23584 µ 0.0008 Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm 8/7 8/7 d 100 Re gh = ữ = ì ữ = 7289 0.2 9/8 9/8 d 100 Re n = 220 ữ = 220 ì ÷ = 239201 ε 0.2 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: 0.25 ε 100 λ = 0.1 1.46 + ÷ dba Re 0.25 0.2 100 = 0.11.46 + ÷ 100 23584 = 0.029 CHọn tổng hệ số trở lực cục bơ h1−2 = v2 l 15 0.19 λ + ξ = + ÷ = 0.017 m ∑ ÷ 0.029 2.g d 0.1 × 9.81 Chiều cao cột áp H = 10 + (0.2 − 1) × 9.81×10 + 0.017 = 2.06m 993 × 9.81 Cơng suất bơm 35 0.0015 × 993 × 9.81× 2.06 = 0.042kW 1000 × 0.75 N= c.Bơm nhập liệu Công suất bơm N= Q.ρ g H 1000.η H – cột áp bơm; m η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 ρ = 1159 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch đầu Q – lưu lượng thể tích dung dịch đầu ; m3/s Áp dụng phương trình Bernoulli p1 α1.v12 p2 α 2.v2 Z1 + + + H = Z2 + + + h1−2 γ 2g γ 2g z1 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bể nước đến mặt đất z2 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất Q= GD 9556.667 = = 0.0022m3 / s ρ 3600 ×1159 Chọn dhút = dđẩy = 50 mm = 0.05 m ⇒ vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến bồn cao vị l = 10 m Tốc độ dòng chảy ống: v= 4.Q × 0.0022 = = 1.12m / s π d π × 0.052 Re = v.d ρ 1.12 × 0.05 × 1159 = = 32452 µ 0.002 Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm 36 8/7 8/7 d 50 Re gh = ữ = ì ữ = 3301 ε 0.2 9/8 9/8 d 50 Re n = 220 ÷ = 220 × ÷ = 109674 ε 0.2 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: 0.25 ε 100 λ = 0.11.46 + ÷ dba Re 0.25 0.2 100 = 0.11.46 + ÷ 50 12518 = 0.034 Chọn hệ số trở lực cục =8 h1−2 = ϖ hba 1.122 10 (λ + ∑ζ ) = (0.034 + 8) = 0.946m g dba × 9.81 0.05 Cột áp bơm:H=(6-2)+0.946=5m N= Cơng suất bơm: Q.ρ g H 0.0022 ×1159 × 9.81× = = 0.17kW 1000.η 1000 × 0.75 d.Bơm tháo sản phẩm Công suất bơm N= Q.ρ g H 1000.η H – cột áp bơm; m η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 ρ = 1440 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch cuối Q – lưu lượng thể tích dung dịch cuối ; m3/s Q= GD 3500 = = 0.0007 m3 / s ρ 3600 ×1440 Áp dụng phương trình Bernoulli 37 Z1 + p1 α1.v12 p α v2 + + H = Z + + 2 + h1−2 γ 2g γ 2g Trong đó: v1 = vhút = v; m/s v2 = m/s z1 = m – khoảng cách từ phần nối ống tháo liệu đáy nón đến mặt đất z2 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bể chứa sản phẩm đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy =50 mm = 0,05 m Chọn chiều dài đường ống từ đáy nón đến bồn chứa sản phẩm l = m Chọn tổng hệ số trở lực cục Tốc độ dòng chảy ống: v= 4.Q × 0.0007 = = 0.356m / s π d π × 0.052 Re = v.d ρ 0.356 ì 0.05 ì1440 = = 14240 0.0018 Chn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm 8/7 8/7 d 50 Re gh = ÷ = ì ữ = 3301 0.2 9/8 9/8 d 50 Re n = 220 ữ = 220 ì ữ = 109674 ε 0.2 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: 0.25 ε 100 λ = 0.11.46 + ÷ dba Re 0.25 0.2 100 = 0.11.46 + ÷ 50 14240 = 0.0336 Chọn hệ số trở lực cục =8 h1−2 = ϖ hba 0.3562 (λ + ∑ζ ) = (0.0336 + 8) = 0.073m g dba × 9.81 0.05 38 H = −1 + Chiều cao cột áp : N= Công suất bơm : (1 − 0.2) × 9.81×104 + 0.073 = 6.6m 1440 × 9.81 Q.ρ g H 0.0007 × 1440 × 9.81× 6.6 = = 0.08kW 1000.η 1000 × 0.75 4.Thiết bị gia nhiệt Chọn thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch ống, đốt ngồi ống Áp dụng cơng thức (V.101), trang 28, [4] Dòng lạnh: td=25oC tc=115oC Dòng nóng: td=tc=139.9oC ∆ttb = Hiệu số nhiệt độ trung bình α = 2.04 × A × ( r 0.25 ) H ∆t ∆tv − ∆tr 139.9 − 25 − 139.9 − 115 = = 65o C ∆tv 139.9 − 25 ln ln 139.9 − 115 ∆tr W/m2.K Trong đó: ∆t : Hiệu số nước ngưng nhiệt phía mặt tường tiếp xúc hơi, chọn =1.4 α – hệ số cấp nhiệt phía ngưng; W/(m2.K) r - ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hoà H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = m) A - hệ số, nước phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm Qua q trình tính lập ta tính đc tm1=139.2 oC tm A 104 20 120 40 139 60 155 80 169 100 179 120 188 140 194 160 197 180 199 200 199 A=193 39 α = 2.04 × A × ( r 0.25 2152000 0.25 ) = 2.04 ×193 × ( ) = 13863.281W / m2 K H ∆t 1× 1.4 q1 = α1 × ∆t = 13863 ×1.4 = 19408W / m Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi Chất lỏng sơi nhẹ chuyển động cưỡng nên hệ số cấp nhiệt tính theo cơng thức đối lưu cưỡng Sau tính lặp, chọn tv2 = 110,1 oC Tw=(tv1+tv2)/2=125oC Các thơng số vật lí NaOH 15% Thông số T=125oC λ; W/(m.K) 0,5787 ρ; kg/m 1130,01 c; J/(kg.K) 3752,51 μ; Ns/m 0,000967 λ – hệ số dẫn nhiệt; W/(m.K): tra bảng I.130, trang 135, [1] T=70oC 0.57 1156 3785 0.0013 ρ – khối lượng riêng; kg/m3: tra bảng 4, trang 11, [8] c – nhiệt dung riêng; J/(kg.K): tra bảng I.154, trang 172, [1] μ – độ nhớt động lực học; Ns/m2: tra bảng I.107, trang 100, [1] Chuẩn số Prandtl: Pr = µ C 1.3 × 10−3 × 3785 = = 8.632 λ 0.57 Prw = C 0.97 ì 103 ì 3752 = = 6.289 λ 0.5787 Chọn tốc độ dung dịch NaOH 15 % ống truyền nhiệt v = m/s Đường kính ống truyền nhiệt d = 25 mm Chuẩn số Reynolds: Re = v.d 1ì 0.025 ì1156 = = 22230 0.0013 >10000 (dịng chảy rối) ⇒ Áp dụng cơng thức tính hệ số cấp nhiệt dòng chảy rối ống (Re > 10000): 40 Nu = 0.021× ε × Re0.8 × Pr 0.43 ( Pr 0.25 ) Prw Nu = 0.021× 1× 222300.8 × 8.6320.43 ( => α2 = 8.632 0.25 ) = 172.468 6.289 Nu × λ 172.468 × 0.57 = = 3932.27 d 0.025 tv = 110.1o C => ∆t = tc − tv = 115 − 110.1 = 4.9o C q2 = α × ∆t = 3932 × 4.9 = 19268.15W / m Kiểm tra sai số q1 q2 q1 − q2 19408.59 − 19268.15 = ×100 = 0.7% < 5% q1 19408.59 qtb = => thông số chọn chấp nhận q1 + q2 19408.59 + 19268.15 = = 19338.37W / m 2 Hệ số truyền nhiệt K= qtb 19338.37 = = 295.694W / m K ∆ttb 65.4 Q = GD C ∆t = 9566.667 × 3785 × (125 − 25) = 1005828W 3600 Bề mặt truyền nhiệt F= Q 1005828.73 = = 52.012m K ∆ttb 295.694 × 65.4 Chọn bề mặt F =55 m2 Số ống truyền nhiệt n= F 55 = = 700 π d H π × 0.025 × ống Chọn số ống 721 41