PHẦN 2: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT CHƢƠNG CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT TRONG CÁC THIẾT BỊ HÓA HỌC 5.1 Dẫn nhiệt 5.2 Dẫn nhiệt 5.3 Bức xạ nhiệt 5.4 Truyền nhiệt 5.5 5.6 Các thiết bị truyền nhiệt công nghiệp Đun nóng, làm lạnh , Cô đặc PHẦN 2: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT CHƢƠNG CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT TRONG CÁC THIẾT BỊ HÓA HỌC Mở đầu Các phương thức truyền nhiệt • Dẫn nhiệt/Conduction: Quá trình truyền nhiệt từ phần tử đến phần tử khác vật chất chúng tiếp xúc trực tiếp với • Đối lưu/Convection: Quá trình truyền nhiệt phần tử chất lỏng chất khí đổi chỗ cho nhau, chúng có nhiệt độ khác bơm, quạt, khuấy trộn,… • Bức xạ/Radiation: Qua trình truyền nhiệt dạng sóng điện từ Nhiệt biến thành tia xạ truyền đi, gặp vật thể phần lượng xạ đố biến thành nhiệt năng, phần phản xạ lại, phần xuyên qua vật thể Mở đầu Dẫn nhiệt Các vật liệu dẫn nhiệt tốt đƣợc gọi vật dẫn nhiệt, vật liệu dẫn nhiệt đƣợc gọi vật cách nhiệt Hầu hết kim loại vật liệu dẫn nhiệt tốt, loại nhựa vật liệu cách nhiệt tốt Các electron tự tạo nên khả dẫn nhiệt tốt kim loại Mở đầu Dẫn nhiệt Mở đầu Đối lưu Dòng đối lƣu đƣợc hình thành nồi có nƣớc đƣợc đun nóng Dòng không khí đối lƣu hình thành chênh lệch nhiệt độ đại dƣơng lục địa Mở đầu Dòng đối lưu Giàn lạnh Bộ phận sưởi Tại phận sƣởi đƣợc đặt dƣới sàn, giàn lạnh tủ lạnh đƣợc đặt phía trên? Mở đầu Bức xạ •Năng lƣợng đƣợc truyền sóng điện từ •Ánh sáng, vi sóng, sóng radio, tia x •Bƣớc sóng phụ thuộc vào tần số xạ Mở đầu KHÁI NIỆM Nhiệt trƣờng: Tập hợp tất trị số nhiệt độ tức thời vật thể môi trƣờng đƣợc gọi nhiệt trƣờng (Trƣờng nhiệt độ) Nhiệt trường ổn định t  f x, y, z   Nhiệt trường không ổn định t  f x, y, z,   Mặt đẳng nhiệt: Tập hợp tất điểm có nhiệt độ giống Mở đầu KHÁI NIỆM Gradient nhiệt độ (Grad t): Sự thay đổi nhiệt độ (lớn nhất) đơn vị chiều dài theo phƣơng pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt dt lim  grad t  n 0 dn Grad t vector - Có phƣơng trùng với phƣơng pháp tuyến mặt đẳng nhiệt - Chiều tùng với chiều tăng nhiệt độ (ngƣợc chiều với dòng nhiệt) - Có độ lớn đạo hàm nhiệt độ theo phƣơng pháp tuyến b) CÔ ĐẶC NHIỀU NỒI Sơ đồ cô đặc nhiều nồi ngược chiều - Hơi di chuyển giống trường hợp xuôi chiều -Dung dịch vào nồi sản phẩm khỏi nồi (áp suất nồi trước lớn nồi sau, dung dịch không tự chảy từ nồi sang nồi mà phải dùng bơm để vận chuyển) - Khi cô đặc ngược chiều dung dịch có nhiệt độ cao vào nồi đầu, nhiệt độ lớn nên độ nhớt không tăng nhiều (hệ số truyền nhiệt nồi không giảm nhiều) -Lượng nước bốc nồi cuối nhỏ cô đặc xuôi chiều, lượng nước dùng làm ngưng tụ thiết bị ngưng tụ nhỏ b) CÔ ĐẶC NHIỀU NỒI Sơ đồ cô đặc nhiều nồi song song -Dung dịch đầu vào đồng thời nồi - Sản phẩm đồng thời lấy nồi -Chỉ dùng yêu cầu nồng độ dung dịch không cao lắm, dung dịch cô đặc có kết tinh, dung dịch có kết tinh di chuyển từ nồi sang nồi dễ làm tắc ống b) CÔ ĐẶC NHIỀU NỒI Cân vật liệu nồi cô đặc Lượng nước bốc hệ thống Gđ xd, xc W  xđ W  Gđ 1   xc : lượng dung dịch đầu, kg/s; : nồng độ dung dịch vào nồi đầu khỏi nồi cuối, % khối lượng; : lượng nước bốc nồi Lượng nước bốc nồi W    W  W1  W2   Wn W1 ,W2., ,Wn - lượng nước bốc nồi 1, 2, , n, kg/s; Nồng độ dung dịch khỏi nồi tính theo công thức Với nồi đầu: Với nồi 2: xđ W1  Gđ Gđ  W1 xđ W2  Gđ Gđ  W1  W2 Với nồi thứ n: xđ Wn  Gđ Gđ  W1  W2   Wn từ n phương trình tìm lượng thứ nồi lượng đốt cho vào nồi 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Các loại thiết bị cô đặc đun nóng dùng phổ biến, gồm hai phần chính: a) phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch ; b) phận bốc (phòng bốc ) phòng trống, thứ tách khỏi hỗn hợp lỏng - dung dịch sôi (khác với thiết bị có phòng đốt) Có thể cấu tạo thêm phận phân ly - lỏng phòng bốc ống dẫn thứ, để thu hồi hạt dung dịch bị thứ mang theo với yêu cầu Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp, chi tiết phải quy chuẩn hoá, giá thành rẻ; Yêu cầu kỹ thuật thiết bị: chế độ làm việc ổn định, bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh kiểm tra Cường độ truyền nhiệt lớn( hệ số truyền nhiệt K lớn) Phân loại thiết bị: -theo bố trí bề mặt truyền nhiệt: nằm ngang, thẳng đứng,loại nghiêng; -theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm; -theo chất tải nhiệt: đun nóng dòng điện, khói lò, nước, chất tải nhiệt đặc biệt; -theo tính chất tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc có ống tuần hòan tâm Cấu tạo: - Phần thiết bị phòng đốt, có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn tương đối lớn - Dung dịch ống đốt vào khoảng trống phía ống Nguyên tắc làm việc: Dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp - lỏng có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt lượng tạo ống hơn,vì khối lượng riêng hỗn hợp - lỏng lớn ống truyền nhiệt, bị đẩy xuống 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc có ống tuần hòan tâm Kết thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn lớn hệ số cấp nhiệt phía dung dịch tăng trình đóng cặn bề mặt truyền nhiệt giảm - Tốc độ tuần hoàn thường không 1,5 m/s Khi suất thiết bị lớn thay ống tuần hoàn vài ống có đường kính nhỏ Phía phòng đốt phòng bốc có phận tách bọt dùng để tách giọt lỏng thứ mang theo ưu điểm cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa làm sạch, nhược điểm tốc độ tuần hoàn bị giảm ống tuần hoàn bị đun nóng 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc phòng đốt treo Cấu tạo: - Phòng đốt đặt thiết bị, khoảng trống vành khăn phòng đốt vỏ đóng vai trò ống tuần hoàn, đốt vào phòng theo ống - Phòng đốt lấy cần sửa chữa làm -Tốc độ tuần hoàn tốt vỏ không bị đốt nóng Nhược điểm: - Cấu tạo phức tạp - Kích thước lớn có khoảng trống hình vành khăn 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc phòng đốt kiểu đứng Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc: - Dung dịch vào phòng đốt đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng qua ống vào phòng bốc - Hơi thứ tách lên phía trên, dung dịch lại phòng đốt theo ống tuần hoàn - Các ống truyền nhiệt làm dài (đến 7m) nên cường độ tuần hoàn lớn, cường độ bốc lớn - Đôi ghép vài phòng đốt vào buồng bốc để làm việc thay cần làm sửa chữa để đảm bảo trình làm việc liên tục 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc: - Dung dịch dưa vào phòng đốt bơm tuần hoàn - Dung dịch đặc phần phòng bốc hơi, phần chảy ống bơm tuần hoàn hút trộn lẫn với dung dịch đầu vào phòng đốt - Tốc độ dung dịch ttrong ống truyền nhiệt 1,5 đến 3,5 m/s, hệ số cấp nhiệt lớn tuần hoàn tự nhiên tới đến lần - Có thể làm việc điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3 - 50C) cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào suất bơm 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng Ưu điểm - Tránh tượng bám cặn bề mặt truyền nhiệt -Có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực Nhược điểm - Tốn lượng để bơm - Thường ứng dụng cường độ bay lớn - Tuần hoàn cưỡng thực thiết bị khác nhau(phòng đốt ngoài, phòng đốt treo) Bài tập 168