Giáo trình Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt (Phần 2)
Giới thiệu
Cô đặc đƣợc ứng dụng trong sản xuất sản suất hóa học và thực phẩm,
nhƣ các quá trình cô đặc NaOH cô đặc nƣớc trái cây.v v.
Mục tiêu thực hiện
Học xong bài này học viên có khả năng:
- Mô tả bản chất của quá trình cô đặc.
- Mô tả hệ thống cô đặc.
- Tính toán cân bằng vật liệu, nhiệt lƣợng trong các thiết bị cô đặc.
- Vân hành các thiết bị cô đặc.
Nội dung chính
Bản chất của quá trình cô đặc và các phƣơng pháp cô đặc.
Cô đặc một nồi và tính toán cân bằng vật liệu, nhiệt lƣợng trong cô đặc
một nồi.
Hệ thống cô đặc nhiều nồi và tính toán cân bằng vật liệu, nhiệt lƣợng
trong cô đặc nhiều nồi.
Cấu tạo các thiết bị cô đặc.
8.1.Khái niệm chung
Trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm thƣờng làm đậm đặc dung
dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc.
8.1.1. Định nghĩa
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một
phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là
hơi thứ.
8.1.2. Ứng dụng của quá trình bay hơi(cô đặc)
- Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch;
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh);
- Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nƣớc cất);
8.1.3. Các phƣơng pháp cô đặc
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều
nồi làm việc gián đoạn liên tục. Khi cô đặc gián đoạn dung dịch cho vào thiết
bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục giữ nguyên106
mức chất lỏng không đổi trong quá trình và khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu
sẽ lấy ra hết rồi tiếp tục cho dung dịch mới vào để cô đặc tiếp.
Khi cô đặc liên tục trong thiết bị cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đƣợc đƣa
vào liên tục và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng đƣợc lấy ra liên tục.
Trong quá trình cô đặc có thể tiến hành ở áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu
kỹ thuật.
Tóm tắt nội dung tài liệu: Giáo trình Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt (Phần 2)
105 BÀI 8 CÔ ĐẶC Mã bài: QTTB 8 Giới thiệu Cô đặc đƣợc ứng dụng trong sản xuất sản suất hóa học và thực phẩm, nhƣ các quá trình cô đặc NaOH cô đặc nƣớc trái cây..v v. Mục tiêu thực hiện Học xong bài này học viên có khả năng: - Mô tả bản chất của quá trình cô đặc. - Mô tả hệ thống cô đặc. - Tính toán cân bằng vật liệu, nhiệt lƣợng trong các thiết bị cô đặc. - Vân hành các thiết bị cô đặc. Nội dung chính Bản chất của quá trình cô đặc và các phƣơng pháp cô đặc. Cô đặc một nồi và tính toán cân bằng vật liệu, nhiệt lƣợng trong cô đặc một nồi. Hệ thống cô đặc nhiều nồi và tính toán cân bằng vật liệu, nhiệt lƣợng trong cô đặc nhiều nồi. Cấu tạo các thiết bị cô đặc. 8.1.Khái niệm chung Trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm thƣờng làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc. 8.1.1. Định nghĩa Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ. 8.1.2. Ứng dụng của quá trình bay hơi(cô đặc) - Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch; - Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh); - Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nƣớc cất); 8.1.3. Các phƣơng pháp cô đặc Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn liên tục. Khi cô đặc gián đoạn dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục giữ nguyên 106 mức chất lỏng không đổi trong quá trình và khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu sẽ lấy ra hết rồi tiếp tục cho dung dịch mới vào để cô đặc tiếp. Khi cô đặc liên tục trong thiết bị cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đƣợc đƣa vào liên tục và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng đƣợc lấy ra liên tục. Trong quá trình cô đặc có thể tiến hành ở áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật. - Cô đặc ở áp suất thƣờng thì thiết bị để hở - Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch giảm do đó chi phí hơi đốt giảm và hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch giảm do đó diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm, cô đặc chân không cho phép cô đặc dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thƣờng có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hoá, đƣờng hoá, nhựa hoá). Cô đặc ở áp suất cao chỉ xảy ra trong các nồi cô đặc đặt trƣớc đối hệ thống cô đặc nhiều nồi. 8.2. Cô đặc một nồi 8.2.1.Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn Trong thực tế cô đặc một nồi thƣờng ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế. Cô đặc một nồi thƣờng làm việc theo ba phƣơng pháp sau: - Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu; - Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới. 8.2.2. Cô đặc một nồi liên tục Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo liên tục một phần dung dịch ra làm sản phẩm, đồng thời luôn bổ xung một lƣợng dung dịch mới vào thiết bị. Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi liên tục trên hình (8-1). Dung dịch đầu từ thùng chứa 7 đƣợc bơm đƣa lên thùng cao vị 8, sau đó chảy qua lƣu lƣợng kế 3 vào thiết bị đun nóng 2, ở đây dung dịch đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc 1 thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ và khí không ngƣng đi lên phía trên đỉnh thiết bị cô đặc vào thiết bị ngƣng tụ 5 từ dƣới lên. 107 Trong thiết bị ngƣng tụ nƣớc lạnh chảy từ trên xuống tiếp xúc với hơi thứ và hơi thứ sẽ đƣợc ngƣng tụ lại thành lỏng cùng với nƣớc lạnh chảy qua ống bazômét ra ngoài. Dung dịch sau khi cô đặc đƣợc bơm 4 vận chuyển ra từ đáy thiết bị đi vào thùng chứa 6. 8.2.3. Tính toàn thiết bị cô đặc một nồi a. Cân bằng vật liệu Gọi: Gđ,Gc –lƣợng dung dịch lúc đầu và lúc cuối (kg/s); W - lƣợng hơi thứ tách ra (kg/s); xđ,xc – nồng độ đầu và cuối, % khối lƣợng; Trong quá trình bốc hơi coi chất hoà tan không bị mất mát theo hơi thứ, khi đó phƣơng trình cần bằng vật liệu trong thiết bị cô đặc (cho cả quá trình liên tục và gián đoạn) nhƣ sau: Gđ = Gc +W (8-1) Đối với chất hoà tan: 108 Gđ xđ = Gc xc (8-2) Từ hai phƣơng trình trên ta rút ra: W =Gđ ( 1 - c d x x ) (8-3) xc = Gđ WG x d d (8-4) b. Cân bằng nhiệt lƣợng: Sơ đồ cân bằng nhiệt (hình 8-2) Gọi: D – lƣợng hơi đốt [kg/s] I,i. – hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ [J/kg] tđ,tc – nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch [0C] tn=tđ –nhiệt độ của hơi đốt ở đây coi nhƣ bằng nhiệt độ của nƣớc ngƣng tụ, [0C] Qtt - nhiệt tổn thất ra môi trƣờng xung quanh [W] Cn - nhiệt dung riêng của nƣớc ngƣng tụ [J/kg.độ] Cđ,Cc – nhiệt dung riêng của dung dịch lúc đầu và lúc cuối [J/kg độ] Theo phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng, lƣợng nhiệt vào bằng lƣợng nhiệt ra. Nhiệt vào: - do dung dịch đầu:GđCđ tđ,[W] - do hơi đốt: DI [W] Nhiệt ra: - hơi thứ mang ra:Wi [W] - nƣớc ngƣng tụ: DCntn [W] - sản phẩm mang ra: GcCctc [W] - Nhiệt tổn thất Qtt [W] 109 Lập phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng ta có: GđCđ tđ + DI = Gccc tc + Dcntn +Wi +Qtt (8-5) Nếu coi toàn bộ dung dịch đầu đƣợc đun nóng đến nhiệt độ cuối,lƣợng nhiệt sẽ là: Gccc tc,sau đó tách ra W (kg nƣớc để bay hơi) lƣơng nhiệt là Wctc và lƣợng nhiệt do dung dịch cuối mang ra: Gccc tc = GđCđ tc - Wcntc Thay vào phƣơng trình () trên ta có: GđCđ tđ +DI = Wi + Dcntn +GđCđ tc - Wcntc +Qtt D(I - cntn) =W(i- cntc) +Gđcđ(tc - tđ) +Qtt D = )tc(I Q)t(tcG)tcW(I nn tt dcddnn [kg/s] (8-6) Để tăng năng suất cô đặc và giảm lƣợng hơi đốt tiêu hao ta cần phải đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi tc trƣớc khi cho vào nồi cô đặc (tđ =tc) bằng thiết bị truyền nhiệt nhƣ vậy sẽ rẻ tiền hơn. Bề mặt truyền nhiệt Q = KF t = D(I - cntn)=W(i- cntc) +Gđcđ(tc - tđ) +Qtt [W] F = tK Q ,[m2 ] (8-7) trong đó: K – hệ số truyền nhiệt, [J/m2h 0C] t – hiệu số nhiệt độ hữu ích [0 C] t = tD -tStb tD -nhiệt độ của hơi đốt tstb -nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch trong thiết bị cô đặc. Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch tham khảo sách đại học. 8.3. Cô đặc nhiều nồi Đặc điểm của quá trình cô đặc nhiều nồi là hơi đốt đƣợc đƣa vào nối đầu tiên, còn hơi thứ bay lên ở nồi trƣớc đƣợc sử dụng làm hơi đốt cho nồi sau đƣợc do đó nó có hiệu quả kinh tế rất cao về sử dụng nhiệt. 8.3.1.Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều Sơ đồ cấu tạo: các thiết bị cô đặc đều là loại có ống tuần hoàn trung tâm đƣợc ghép nối tiếp với nhau. Nguyên tắc của cô đặc ba nồi xuôi chiều: Dung dịch đƣợc đƣa vào nồi 1 tiếp tục chuyển sang nồi 2 rồi sang nồi 3 nhờ chênh lệch áp suất trong các nồi. Còn hơi đốt từ nồi hơi có nhiệt độ cao đi vào phòng đốt của nồi 1 để đun sôi dung dịch. Hơi thứ bay lên ở nồi 1 có nhiệt độ cao. Để tiếp kiệm năng lƣợng ta sử dụng hơi thứ bay lên ở nồi 1 đƣợc đƣa vào làm hơi đốt cho nồi 2, 110 hơi thứ bay lên ở nồi 2 đƣợc đƣa vào phòng đốt của nồi 3 và hơi thứ bay lên của nồi 3 đƣợc đƣa sang thiết bị ngƣng tụ barômét, điều này thực hiện đƣợc vì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dần từ nồi đầu tới nồi cuối do áp suất trong các nồi giảm dần từ nồi đầu tới nồi cuối, do nồi đầu dung dịch đƣợc đun sôi với áp suất lớn, còn ở nồi cuối làm việc ở áp suất chân không nhờ thiết bị ngƣng tụ bazômét. Do đó dung dịch tự chảy dần từ nồi đầu tới nồi cuối, dung dịch ở nồi cuối cùng đƣợc đƣa ra ngoài có nồng độ đậm đặc theo yêu cầu gọi là sản phẩm. *Ƣu điểm: cô đặc nhiều nồi xuôi chiều là dung dịch tự chảy từ nồi đầu tới nồi cuối không cần bơm vận chuyển. *Nhƣợc điểm: Do nhiệt độ của dung dịch các nồi giảm dần, nhƣng nồng độ dung dịch lại tăng dần từ nồi đầu tới nồi cuối, làm độ nhớt của dung dịch tăng, kết quả làm hệ số truyền nhiệt giảm dần từ nồi đầu đến nồi cuối, và lƣợng nƣớc sử dụng cho thiết bị ngƣng tụ lớn. 8.3.2. Sơ đồ cô đặc nhiều nồi ngƣợc chiều Sơ đồ hệ thống 3 nồi cô đặc ngƣợc chiều (hình 8-4): gồm nhiều nồi cô đặc loại có ống tuần hoàn trung tâm ghép nối tiếp nhau. 111 Nguyên tắc làm việc: Dung dịch đƣợc đƣa vào nồi cuối và đƣợc bơm vận chuyển dung dịch về các nồi trƣớc. Còn hơi đốt từ nồi hơi có nhiệt độ cao đƣợc vào nồi đầu tiên để đun sôi dung dịch. Để tiếp kiệm năng lƣợng ta cũng lấy hơi thứ bay lên ở nồi 1 làm làm hơi đốt cho nồi 2 và hơi thứ bay lên ở nồi 2 đƣa sang làm hơi đốt cho nồi 3 và hơi thứ bay lên ở nồi cuối cùng đƣợc đƣa sang thiết bị ngƣng tụ bazômét. Vì áp suất nồi trƣớc lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch không tự chảy từ nồi cuối đến nồi đầu đƣợc mà ta phải dung bơm đƣa dung dịch từ nồi cuối về nồi đầu. Nồng độ dung dịch tăng dần từ nồi cuối về nồi đầu, và dung dịch đƣợc lấy ra ở nồi đầu có nồng độ cao nhất làm sản phẩm. Với hệ thống cô đặc ngƣợc chiều thì nhiệt độ dung dịch trong các nồi giảm dần từ nồi đầu tới nồi cuối, còn nồng độ dung dịch lại tăng dần từ nồi cuối đến nồi đầu, do đó độ nhớt dung dịch thay đổi không đáng kể, kết quả hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu nhƣ không đổi. *Ƣu điểm: Cô đặc đƣợc dung dịch có độ nhớt lớn tới nồng độ cuối cao, và nồi cuối lƣợng nƣớc bay hơi nhỏ do đó lƣợng nƣớc sử dụng cho thiết bị ngƣng tụ barômét nhỏ hơn. 112 *Nhƣợc điểm:Tốn nhiều năng lƣợng để vận chuyển chất lỏng đi từ nồi cuối đến nồi đầu. 8.3.3. Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi song song Sơ đồ cấu tạo hệ thống cô đặc nhiều nồi song song trên (hình 8-5) gồm nhiều nồi cô đặc loại tuần hoàn trung tâm ghép nối tiếp nhau. Nguyên tắc làm việc; dung dịch đầu đƣợc đƣa vào ở tất cả các nồi, còn hơi đốt từ nồi hơi có nhiệt độ cao đƣợc vào nồi đầu tiên để đun sôi dung dịch, để tiếp kiệm năng lƣợng ta cũng lấy hơi thứ bay lên ở nồi trƣớc làm hơi đốt cho nồi sau, và hơi thứ bay lên ở nồi cuối cùng đƣợc đƣa sang thiết bị ngƣng tụ bazômét, còn dung dịch cũng đƣợc lấy ra đồng thời ở tất cả các nồi làm sản phẩm. Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song chỉ dùng khi chênh lệch nồng độ của dung dịch trƣớc và sau khi cô đặc không cao lắm, hoặc khi dung dịch cô đặc kết tinh, vì khi dung dịch cô đặc có kết tinh thì dung dịch di chuyển từ từ nồi này sang nồi kia dễ bị tắc ống. 8.3.4. Tính toán cô đặc nhiều nồi. a. Cân bằng vật chất. 113 Đối với toàn hệ thống cô đặc vẫn có thể sử dụng các công thức (8-1), (8-2), (8-3), (8-4) của quá trình cô đặc một nồi ta có: W =Gđ ( 1 - c d x x ) (8-8) xc = Gđ WG x d d (8-9) xđ,xc –nồng độ dung dịch vào nồi đầu và nồng độ dung dịch ra khỏi nồi cuối % khối lƣợng; Lƣợng nƣớc bốc hơi bay lên của cả hệ thống cô đặc bằng tổng lƣợng nƣớc bốc hơi của cả các nồi và đƣợc tính theo công thức sau. W =W1+W2 +..+Wn (8-10) Trong đó: W1, W2,..Wn .lƣợng nƣớc bốc hơi ở các nồi 1,2,n (kg/s). Nồng độ của dung dịch ra khỏi mỗi nồi đƣợc tính theo công thức sau: - đối với nồi 1; x1 =Gđ ( 1 - 1 W d G x d ) (8-11) - đối với nồi 2: x2 =Gđ ( 1 - 21 WW d G x d ) (8-12) - Đối với nồi thứ n: xn =Gđ ( 1 - n WWW ... 21d G x d ) (8-13) b. Cân bằng nhiệt lƣợng Dạng chung của phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng trong hệ thống cô đặcnhiều nồi nhƣ sau: Nhiệt lƣợng vào: - do hơi đốt vào nồi đầu: QD = D1I1 [W] - do dung dịch đi vào nồi đầu: Gđ Cđ tđ [W] - tồng nhiệt lƣợng vào nồi 1 là: Q1=D1I1+GđCđtđ [W] Nhiệt tiêu hao: - do hơi phụ: Q2= E1.i1+E2.i2+.En-1.in-1+ Wn.in [W] - do nƣớc ngƣng tụ: Q3= D1Ct1+D2Ct2+..+DnCtn [W] - do dung dịch cuối mang ra: Q4 =GcCctc, [W] - do nhiệt tổn thất ra môi trƣờng: Q5 [W] Phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng: Q1=Q2+Q3+Q4+Q5 Trong đó: E –là lƣợng hơi thứ bay lên ở mỗi nồi [kg/s] 114 Wn -lƣợng hơi thứ bay lên ở nồi cuối cùng và vào thiết bị ngƣng tụ [kg/s] I – hàm nhiệt của hôi đốt [J/kg] i – hàm nhiệt của hơi thứ bay lên ở mỗi nồi [J/kg] Các đại lƣơng khác xem ở phần cô đặc một nồi 8.4.Cấu tạo các thiết bị cô đặc một nồi 8.4.1.Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm Cấu tạo: Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là phòng bốc 1 phần dƣới của thiết bị là phòng đốt 2 có cấu tạo tƣơng tự nhƣ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, trong phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đƣờng kính lớn hơn từ 7 đến 10 lần ống truyền nhiệt, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 5 có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo. Nguyên lý làm việc: Dung dịch đƣợc đƣa vào đáy phòng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm, còn hơi đốt đƣợc đƣa vào phòng đốt đi ở khoảng giữa các ống và vỏ, do đó dung dịch đƣợc đun sôi tạo thành 115 hỗn hợp lỏng hơi trong ống truyền nhiệt và làm khối lƣợng riêng của dung dịch sẽ giảm đi và chuyển động từ dƣới lên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt và lƣợng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lƣợng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dƣới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngƣng tụ bazômét. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu đƣợc lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liền tục bổ xung thêm một lƣợng dung dịch mới vào thiết bị (trong trƣờng hợp thiết bị làm việc liên tuc). Còn với quá trình làm việc gián đoạn thì dung dịch đƣợc đƣa vào thiết bị gián đoạn, và sản phẩm cũng đƣợc lấy ra gián đoạn. Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt cũng giảm. Tốc độ tuần hoàn loại này thƣờng không quá 1,5 m/s. *Ƣu điểm: Cấu tạo đơn giản dễ sửa chữa và làm sạch, *Nhƣợc điểm: Năng suất thấp, và tốc độ tuần hoàn giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng. 8.4.2. Thiết bị cô đặc tuần hoàn cƣỡng bức 116 Cấu tạo: Thiết bị cô đặc tuần hoàn cƣỡng bức hình (8-7) gồm phòng bốc 1 và trong phòng bốc có bộ phận tách giọt, phía dƣới phòng đốt 2, trong phòng đốt có các ống truyền nhiệt 3, bên ngoài thiết bị có ống tuần hoàn ngoài 5, và bơm tuần hoàn 4. Nguuyên tắc làm việc: Dung dịch đƣợc bơm đƣa vào phòng đốt liên tục và đi trong các ống trao đổi nhiệt từ dƣới lên phòng bốc, còn hơi đốt đƣợc đƣa vào phòng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị. Dung dịch đƣợc đun sôi trong ống truyền nhiệt với cƣờng độ sôi cao và lên phòng bốc. Tại bề mặt thoáng dung dịch ở phòng bốc, dung môi tách ra bay lên và đi qua bộ phận tách giọt rồi sang thiết bị ngƣng tụ bazômét, còn dung dịch trở lên đậm đặc hơn trở về ống tuần hoàn ngoài trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục đƣợc bơm đƣa vào phòng đốt. Khi dung dịch đạt nồng ... tích truyền nhiệt F=50m2 Tính: a)Lƣợng hơi thứ bay lên b)Lƣợng hơi đốt vào thiết bị c)T ính hệ số truyền nhiệt thiết bị Bài tập 8-5: Dung dịch xút nhập liệu vào thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất chân không bằng 0,6 at, nhiệt lƣợng riêng của hơi thứ là 629,2 J/kg. Với năng suất theo nhập liệu là.2500 kg/h dung dịch NaOH, nồng độ từ 8% lên 35% khối lƣợng.hơi đốt là hơi nƣớc bão hoà có áp suất tuyệt đối là 2 at, nhiệt độ của hơi đốt là 119,6 oC Biết rằng nhiệt độ của nhập liệu và sản phẩm là 250C và 850C. Ẩn nhiệt ngƣng tụ của hơi đốt là 2208 kj/kg, dung riêng của dung dịch đầu là 3,2 kJ/kg.độ. tổn thất nhiệt ra môi trƣờng xung quanh là 120 J, và hệ số truyền nhiệt K = 220 J/m2h độ, nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch trong thiết bị bằng 800C. Tính: a)Tính lƣợng hơi thứ tách ra khỏi dung dịch? b)Tính lƣợng hơi đốt cần thiết ? c)Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt? ĐÁP ÁN CÁC BÀI TẬP Bài tâp 6-1: 147 Đs: q =69,73 W/m2 ta =119,98 0C Bài tập:6-2: Đs: a) q= 1888,7)J/m2h) b) tT1 = 737,04 0 C ta = 170,4 o C Bài tập;6-3: Đs:a) Nhiệt tổn thất q=18,59 W/m2 b)Tính ta, tb: ta=89,97 0C C0 b 40,0019t Bài 6-4: Đs: a) Qtt= 689,97 (J/m 2h.độ) b) tT1= 977 0C, ta =657,6oC, tT2 =84,6 0C Bài 6-5: Đs: k =11,42W/m2h.độ, q= 856,5 [W/m2 oC] Bài 6-6: Đs: a) Q = 30492 (J/h) b) ta = 1002,34 0C Bài tập 7-1: Đs: Q25 o c =m.c.t25 =104650000 [W] Q50 o c = m.c t50 =209300000 [W] Bài tập 7-2: Đs: Q =22640 [ kj] Bài tập 7-3: Đs: D =142,5 kg/h Bài tập 7-4: Đs: G = 1558,3 kg/h, k = 87,9 J/m2h độ Bài tập 7-5: Đs: a) G =2,849 kg/s, b) F = 17,6 m2 Bài tập 7-6: a) Gn = 10750 kg/h 148 b) k = 223,9 J/m2h độ Bài tập 7-7: Đs: a) Gn = 9450 kg/h b)Q= 94500 J/h c) k = 92,6 J/m2h0C Bài 8-1: Đs: W=853,7 kg Bài 8-2: Đs: Xc = 27% [kối lƣợng] Bài 3: Đs: a) W, =1187,5 (kg/s) b)D= 1420,9 (kg/s) c) k = 548,7 [J/m2h.độ] ĐÁP ÁN CÁC BÀI TẬP NÂNG CAO Bài tập:6-1 Đs: a) Q = 1386,8 [J] b) Nhiệt độ tT1, tT2, ta tT1 = 845,1 0 C ta =810,5 0 C tb=41,5 0C tT2 = 36,3 0C Bài tập 6-2 đs: a) K=337,3 W/m2độ b) Q =kF t tb = 24062,9 [W] Bài tập 6-3 Đs: a) K= 92 J/m2h độ. b) Q=203111,4 (J/h) Bài tâp 6-4 Đs: Qtt = 165312 [kW] Bài tâp 6-5 Đs: 5033,4 [W] Bài tâp 6-6 Qtt = 18,5[ W], ta= 119,98 oC, Bài tâp 6-7 Đs: Qtt = 104,6 W/m 2, 149 ta= 152,4 oC, tT2 =152,43 oC Bài tâp 6-8 Đs: Qtt = 93 W/m 2, TT1= 79,53 oC ,ta =79,5 oc TT2= 37,79 oC Bài tập 6-9 Đs: Qtt = 1432.5 J/m 2hđộ, tT1 = 119,47 oC, tT2 =119,3 oC Bài tập 6-10 Đs: Qtt = 18996,5 W, tT1 = 132.78 oC, tT2 =130,9 oC Bài tập 7-1 Đs: Q=129457,17 (J/h) Bài tập 7-2 Đs: a) G1= 645,83 kg/h b)K= 5,84 J/m2h0C. Bài tập 7-3 Đs: a) Q=1550.0,25(80-35)=17437,5(J/h) b) Gn = 1743,8 kg/h c) F = 10,8 m2 Bài tập 7-4 Đs: 64,6 oC Bài tập 7-5 Đs: a) G1= 1770,9 kg/h b) F = 32,18 m2 Bài tập 7-6 Đs: a) D = 55,73 kg/h, b) F = 1 m2 Bài tập 8-1 Đs: a. W =2130,4 kg/h b. F = 49,78m2 Bài tập 8-2 Đs: Gđ=1332 (kg/s) 150 Bài tập 8-3 Đs: a) D=960,7(kg/s) b) K=95,62 J/m2h độ. Bài tập 8-4 Đs: a) W =3500 (kg/s) b) D = 4105 (kg/s) c) K = 547,8 J/m2h độ. Bài tập 8-5: Đs: a) W = 1928,5 kg/h, b) D =2207,2 kg/h, c) F = 133,64 m2 151 PHẦN PHỤ LỤC Bảng 1: Các ký hiệu cơ bản THỨ TỰ KÝ HIỆU ĐẠI LƢỢNG ĐƠN VỊ GHI CHÚ 1 Q Năng suất hay lƣu lƣợng m3/h Hay kg/h 2 C Nồng độ dung dịch mol/l Hay %(KL),kg/l 3 d Đƣờng kính ống m 4 D Đƣờng kính thiết bị m Lƣu lƣợng hơi đốt Kg/s Kg/h 5 F bề mặt truyền nhiệt m2 6 Bề dày m 7 G Lƣu lƣợng khối Kg/s Kg/h 8 h Chiều cao M 9 H Chiều cao M 10 i enthanpy J/Kg (J /Kg) 11 R, r ẩn nhiệt J/Kg (J /Kg) 12 l Chiều dài M 13 m Khối lƣợng Kg 14 n Số ống truyền nhiệt 15 N Công suất KW 16 p áp suất atm,bar kg/cm2 17 Q Lƣợng nhiệt W, J 18 t Nhiệt độ 0C 19 c Nhiệt dung riêng j/kg.độ J/kg độ 20 v Vận tốc m/s 21 R Nhiệt trở lớp vật liệu m.độ/W 152 THỨ TỰ KÝ HIỆU ĐẠI LƢỢNG ĐƠN VỊ GHI CHÚ 22 Hệ số cấp nhiệt W/ m2.độ J/m2h độ 23 K Hệ số truyền nhiệt W/m.m2độ J/m2h độ 24 Hệ số dẫn nhiệt W/m.độ J/mh độ 25 Khối lƣợng riêng Kg/m3 26 Thời gian s, h 27 W Lƣợng hơi thứ Kg/s Kg/h Bảng 2. Quan hệ giữa các đại lƣợng Năng lƣợng 1kal=427 kp/m=4185Nm 1Nm==0,239 cal 1 cal=4,1816 J 1J =4,186 kj =4186j 1J/m2h.độ = 1,1627 W/ m2 độ 1J/mh.độ = 1,1627 W/ m độ 1W/ m2.độ = 0,86 J/m2h độ 1W/ m.độ = 0,86 J/mh độ j/s =W Hệ số dẫn nhiệt 1J/mhđộ = 1,1627 W/m.độ Hệ số truyền nhiệt Áp suất Độ nhớt 1J/m2hđộ = 1,1627 W/m2.độ at=735,6torr=10m=735,6mmHg=10000 kp/m2 1atm(vật lý)=760torr=1,033kp/cm2 1Ns/m2 =1kg/m=10p=1000cp=1,02kps/m 2 1 st (stokes)=1 cm2/s=100St 153 Bảng 3: Hệ số dẫn nhiệt các của chất khí (J/m.h.độ ở p =1 at) Khí Nhiệt độ, 0C Đến 00C 500C 1000C 2000C Amoniac Etan Etylen Cacbondioxit Cacbon mono oxit Không khí Metan Oxy Nitơ Hơi nƣớc hydrô 0,018 0,015 0,014 0,012 0,019 0,021 0,026 0,021 0,02 0,014 0,14 0,022 0,02 0,018 0,016 0,021 0,024 0,031 0,025 0,023 0,017 0,16 0,027 0,027 0,023 0,02 - 0,028 - 0,028 0,027 0,021 0,19 - - - 0,027 - 0,034 - 0,035 0,033 0,028 0,22 Bảng 4: Hệ số dẫn nhiệt của một số chất rắn từ 0 đến 1000C Tên chất Khối lƣợng riêng hoặc khối lƣợng của lớp hạt kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt , J/m.h.độ Bê tông Gạch chịu lửa Thủy tinh Thủy tinh đục Gỗ(dọc qua sợi) Gỗ(ngang qua sợi) Lớp gạch cách nhiệt Magiee 85% sợi len Mùn cƣa Cát khô Sợi len Xỉ Sợi bông Đất sét Chất dẻovinyl Lông 2300 1840 2500 200 600 600 600 216 230 1500 250 3000 1380 220 1380 300 1,1 0,9 0,6-0,7 0,03-0,06 0,33 0,12-0,15 0,1-0,18 0,06 0,06-0,08 0,3-0,7 0,065 0.6 0.21 0,055 0,14 0,04 154 Tên chất Khối lƣợng riêng hoặc khối lƣợng của lớp hạt kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt , J/m.h.độ Vữa xây Nhôm Chì Bạc Gang Đồng Sắt Thép Hợp kim 1700 2700 11400 8000 7500 8800 8500 7850 7900 0,06-0,07 175 30 55 40-80 330 80 40 15 Bảng 5:Tính chất vật lý của nƣớc ở áp suất thƣờng 1 2 3 4 5 6 7 8 t, 0C , kg/m3 i J/kg cp J/kgđộ .102, J/mhđộ .103, 2 . m sN .106, m2/s pr 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 1000 998 996 922 988 983 978 972 965 0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 1,01 1,00 0,999 0,997 0,997 0,997 0,998 1,00 1,00 1,00 47,4 49,4 51,5 53,1 54,5 55,7 56,7 57,4 58,0 58,5 1,792 1,308 1,005 0,0087 0,0656 0,5494 0,4688 0,4061 0,03565 0,3165 1,79 1,31 1,01 0,91 0,66 0,556 0,478 0,415 0,365 0,326 13,7 9,52 7,02 5,42 4,31 3,54 2,98 2,55 2,21 1,95 155 Bảng 6: Tính chất của hơi nƣớc bão hòa theo nhiệt độ Nhiệt độ, 0C Áp suất at hay kG/cm2 Thể tích riêng m3/kg Khối lƣợng riêng, Kg/m3 Hàm nhiệt, J/kg=4190J/kg Nhiệt hóa hơi. J/kg lỏng hơi 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 0,0062 0,0089 0,0125 0,0174 0,0238 0,0323 0,0433 0,0573 0,0752 0,0977 0,1258 0,1605 0,2031 0,2550 0,3177 0,393 0,483 0,590 0,715 0,862 1,033 1,232 1,461 1,724 2,025 2,367 2,755 2,192 3,685 260,5 147,1 106,4 77,9 57,8 43,40 32,93 25,25 19,55 15,28 12,054 9,589 7,687 6,209 5,052 4,139 3,414 2,832 2,365 1,985 1,675 1,421 1,212 1,038 0,893 0,7715 0,6693 0,5831 0,5096 0,00484 0,00680 0,00940 0,001283 0,001729 0,02304 0,03036 0,03960 0,05114 0,06543 0,0830 0,1043 0,1301 0,1611 0,1979 0,2416 0,2929 0,3531 0,4229 0,5039 0,5970 0,7036 0,8254 0,9635 1,1199 1,296 1,494 1,715 1,962 0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 60,0 65,0 70,0 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,1 110,1 115,2 120,3 125,4 130,5 135,6 140,7 595,0 597,3 599,6 602,0 604,3 606,6 608,9 611,2 613,5 615,7 618,0 620,2 622,5 624,7 626,8 629,0 631,1 633,2 635,3 637,4 639,4 641,3 643,3 645,2 647,0 648,8 650,6 652,3 653,9 595,0 592,3 589,6 587,0 584,3 581,6 578,9 576,2 573,5 570,7 568,0 565,2 562,5 559,7 556,8 554,0 551,2 548,2 545,3 542,4 539,4 536,3 533,1 530,0 526,7 523,5 520,1 516,7 513,2 156 Nhiệt độ, 0C Áp suất at hay kG/cm2 Thể tích riêng m3/kg Khối lƣợng riêng, Kg/m3 Hàm nhiệt, J/kg=4190J/kg Nhiệt hóa hơi. J/kg lỏng hơi 1 2 3 4 5 6 7 145 150 160 170 180 190 200 210 220 230 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 4,238 4,885 6,303 8,080 10,23 12,80 15,85 19,55 23,66 28,53 6,303 8,080 10,23 12,80 15,85 19,55 23,66 28,53 34,13 40,55 47,85 56,11 65,42 75,88 87,6 100,7 115,2 131,3 149,0 168,6 0,4469 0,3933 0,3075 0,2431 0,1944 0,1568 0,1276 0,1045 0,0862 0,07155 0,3075 0,2431 0,1944 0,1568 0,1276 0,1045 0,0862 0,07155 0,05967 0,04998 0,04199 0,03538 0,02988 0,02525 0,02131 0,01799 0,01516 0,01273 0,01064 0,00884 2,238 2,543 3,252 4,113 5,145 6,378 7,840 9,567 11,600 13,98 3,252 4,113 5,145 6,378 7,840 9,567 11,600 13,98 16,76 20,01 23,82 28,27 33,47 39,60 46,93 55,59 65,95 78,53 93,98 113,2 145,9 151,0 156,2 171,8 182,3 192,9 203,5 214,3 225,1 236,1 156,2 171,8 182,3 192,9 203,5 214,3 225,1 236,1 247,1 258,3 269,6 281,1 292,7 304,4 316,6 329,3 343,0 357,5 373,3 390,8 655,5 657,0 659,9 662,4 664,6 666,4 667,7 668,6 669,0 668,8 659,9 662,4 664,6 666,4 667,7 668,6 669,0 668,8 668,0 666,,4 664,,2 661,2 657,3 625,6 646,8 640,1 632,5 623,5 613,5 601,1 509,6 506,0 498,5 490,6 482,3 473,5 464,2 454,4 443,9 432,7 498,5 490,6 482,3 473,5 464,2 454,4 443,9 432,7 420,8 408,1 394,5 380,1 364,6 348,1 330,2 310,8 289,5 266,0 240,2 210,3 157 Nhiệt độ, 0C Áp suất at hay kG/cm2 Thể tích riêng m3/kg Khối lƣợng riêng, Kg/m3 Hàm nhiệt, J/kg=4190J/kg Nhiệt hóa hơi. J/kg lỏng hơi 1 2 3 4 5 6 7 360 370 374 190,3 214,5 225 0,00716 0,00585 0,000310 139,6 171,0 322,6 413,0 415,0 501,1 583,4 549,8 501,1 170,3 0 0 158 Bảng 7: Tính chất của hơi nƣớc bão hòa theo áp suất Áp suất at Nhiệt độ 0C Thể tích riêng m3/kg Khối lƣợng riêng, Kg/m3 Hàm nhiệt, J/kg Nhiệt hóa hơi. J/kg lỏng hơi 1 2 3 4 5 6 7 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,04 0,05 0,06 0,08 0,10 0,12 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 6,6 12,7 17,1 20,7 23,7 28,6 32,5 35,8 41,1 45,4 49,0 53,6 59,7 68,7 75,4 80,9 85,5 89,3 93,0 96,2 99,1 104,2 108,7 112,7 116,3 119,6 132,9 142,9 151,1 158,1 131,60 89,64 68,27 55,28 46,53 35,46 28,73 24,19 18,45 14,,96 12,60 10,22 7,797 5,331 4,072 3,304 2,785 2,411 2,128 1,906 1,727 1,457 1,261 1,113 0,997 0,903 0,6180 0,4718 0,3825 0,3222 0,00760 0,01116 0,01465 0,01809 0,02149 0,02820 0,03481 0,04133 0,05420 0,06686 0,07937 0,09789 0,1283 0,1876 0,2456 0,3027 0,3590 0,4147 0,4699 0,5246 0,5790 0,6865 0,7931 0,898 1,003 1,107 1,618 2,120 2,614 3,104 6,6 12,7 17,1 20,7 23,7 28,6 32,5 35,8 41,1 45,4 49,0 53,6 59,7 68,7 75,4 80,9 85,5 89,5 93,0 96,2 99,1 104,3 108,9 112,9 116,6 119,9 133,4 143,7 152,2 159,4 598,0 600,9 602,9 604,6 606,0 608,2 610,0 611,5 614,0 615,9 617,6 619,6 622,3 626,3 629,2 631,5 633,4 635,1 636,5 637,8 639,0 641,1 642,8 644,3 645,7 646,9 651,6 654,9 657,3 659,3 591,4 588,2 585,8 583,9 582,3 579,6 577,5 575,8 572,8 570,5 568,5 566,0 562,7 557,6 553,8 550,6 548,0 545,6 543,6 541,7 539,9 536,7 533,9 531,4 529,1 527,0 518,1 511,1 505,2 499,9 159 Áp suất at Nhiệt độ 0C Thể tích riêng m3/kg Khối lƣợng riêng, Kg/m3 Hàm nhiệt, J/kg Nhiệt hóa hơi. J/kg lỏng hơi 1 2 3 4 5 6 7 7,0 8,0 9,0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 225 164,2 169,6 174,5 179,0 183,2 187,1 190,7 194,1 197,4 200,4 203,4 206,2 208,8 211,4 232,8 249,2 262,7 274,3 284,5 293,6 301,9 309,5 323,1 335,0 345,7 355,4 364,2 374,0 0,2785 0,2454 0,2195 0,1985 00,1813 0,1668 00,1545 0,1438 0,1346 0,1264 0,1192 0,1128 0,1070 0,1017 0,06802 0,05069 0,04007 0,03289 0,02769 0,02374 0,02064 0,01815 0,01437 0,01164 0,00956 0,00782 0,00614 0,00310 3,591 4,075 4,556 5,037 5,516 5,996 6,474 6,952 7,431 7,909 8,389 8,868 9,349 9,83 14,70 19,73 24,96 30,41 36,12 42,13 48,45 55,11 69,60 85,91 104,6 128,0 162,9 322,6 165,7 171,4 176,6 181,3 185,7 189,8 193,6 197,3 200,7 204,0 207,1 210,1 213,0 215,8 239,1 257,4 272,7 286,1 298,0 308,8 319,0 328,7 347,3 365,3 383,4 401,9 425,6 501,1 660,9 662,3 663,4 664,4 665,2 665,9 666,6 667,0 667,4 667,8 668,1 668,3 668,5 668,7 668,6 666,6 663,4 659,5 655,3 650,6 645,6 640,5 629,7 618,6 606,3 592,6 572,8 501,1 49502 490,9 486,8 483,1 479,5 476,1 472,8 469,7 466,7 463,8 460,9 458,2 455,5 452,9 429,5 409,2 390,7 373,5 357,8 341,8 326,7 311,8 282,4 253,3 222,8 190,7 147,3 0 160 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Đài, Nguyễn Trọng Khuông,... -Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học - Tập 1,2-Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1981. [2] Phạm Văn Bôn - Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học - Tập 5 QT&TB Truyền Nhiệt – NXB ĐH Quốc gia TPHCM, 2002 [3] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, tập 1,2.- Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 1978. [4] Những quá trình và thiết bị cơ bản của nghành công nghệ hóa học- NXB Giáo dục 1996 [5] Nguyễn Bin - Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm - tập1- NXB KHKT 1999
File đính kèm:
- giao_trinh_cac_qua_trinh_va_thiet_bi_truyen_nhiet_phan_2.pdf