PHẦ PHẦN
ĐỒ ÁN ĐỒ ÁN HỌ HỌC Đề Tài Đề Tài
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT K Ế THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaOH
Tp.Hồ Tp.Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2014
BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾ THI ẾT BỊ BỊ 1
ĐỒ ÁN ĐỒ ÁN HỌ HỌC PHẦ PHẦN Đề Tài Đề Tài
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT K Ế THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaOH
Giảng Giảng viên hướ ng ng dẫ dẫn: MSSV: Lớ p: p: CDHO13 Khóa : 2014 – 2014 – 2015 2015 Mã HP :
Tp.Hồ Tp.Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2014
2
BỘ CÔNG THƯƠNG
CỘ NG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM
Tự do – H Hạnh phúc Độc lậ p – T
NHIỆ NHIỆM VỤ VỤ ĐỒ ĐỒ ÁN ÁN HỌ HỌC PHẦ PHẦN KHOA : CÔNG NGHỆ HÓA BỘ MÔN : MÁY VÀ THI ẾT BỊ HỌ VÀ TÊN :
1.Tên đồ án: Tính toán và thiết k ế thiết bị cô đặc một nồi dung dịch NaOH. 2.Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) ng nhậ p liệu 2000 kg/h. Năng suất tính theo suất lượ ng
độ ban đầu là 12 % Nồng độ ban Nồng độ cuối là 48 % Áp suất ngưng tụ là 1 at. Áp suất hơi đốt (hơi bão hòa) là 3 at. Yêu cầu : Cân bằng vật chất và nhiệt lượ ng. ng. Tính thiết bị chính, thiết bị ngưng tụ và chọn bơm.Vẽ bản vẽ quy trình công nghệ A1 và bản vẽ chi tiết thiết bị A1. 3. Ngày giao nhiệm vụ : 10/6/2013 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 20/7/2014 5. Họ và tên người hướ ng ng dẫn: Tp.HCM, ngày 10 tháng 6 năm 2014 Tổ trưở ng ng bộ môn
ng dẫn Giáo viên hướ ng
(Ký và ghi rõ họ tên)
(Ký và ghi rõ họ tên)
3
LỜ I CẢM ƠN Đối với sinh viên năm thứ ba cao đẳ ng, môn học Đồ án Quá trình và Thi ết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hóa học. Bên cạnh đó, còn giúp sinh viên tiế p cận thực tế thông qua tính toán, thiết k ế và lựa ch ọn các chi tiết c ủa m ột s ố thi ết b ị v ớ i các số li ệu c ụ th ể và thông dụng.
Cô đặc một nồi dung dịch NaOH là đồ án đượ c th ực hiện dướ i s ự hướ ng dẫn nhiệt tình của Th.S LÊ NHẤT TH Ố NG, b ộ môn Quá trình và thi ết b ị - Khoa Máy và Thiết B ị Hóa Học, trường ĐẠI H ỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và chu đáo củ a thầy Lê Nhất Thống cũng
như các thầy c ủa bộ môn Quá Trình va Thiết Bị và những ngườ i bạn đã giúp đỡ tôi thực hiện xong đồ án này.
Vì đồ án này là một đề tài lớn đầu tiên của tôi, điều thiếu xót và hạn chế là không thể tránh khỏi. Mong đượ c s ự đóng góp ý kiến , chỉ dẫn từ các thầy và bạn
bè để củng cố thêm kiến thức chuyên môn. Tôi xin chân thành cảm ơn mọi ngườ i.
4
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚ NG DẪN ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................
Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:…………………………..…………………………………… ............. Nội dung thực hiện:……………………....……………………………………………... Hình thức trình bày:……………………………………………………………………... Tổng hợ p k ết quả:………………………………………………………………………..
Điểm bằng số: …………………………………….Điểm bằng chữ:…………………… Tp HCM, ngày Chủ nhiệm bộ môn
tháng
năm
Giáo viên hướ ng dẫn
5
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................
Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:…………………………..…………………………………… ............. Nội dung thực hiện:……………………....……………………………………………... Hình thức trình bày:……………………………………………………………………... Tổng hợ p k ết quả:………………………………………………………………………..
Điểm bằng số: …………………………………….Điểm bằng chữ:…………………… Tp HCM, ngày Chủ nhiệm bộ môn
tháng
năm
Giáo viên phản biện
6
MỤC LỤC PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC ................................................................................................. 9 I . NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ...................................................................................................................... 9 III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC ........................................................................................................ 9 1. Định nghĩa .................................................................................................................................. 9 2. Các phương pháp cô đặc .......................................................................................................... 9 3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt ............................................................................................. 10 4. Ứ ng dụng của sự cô đặc .......................................................................................................... 10 IV .THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT ......................................... 10 1. Phân loại và ứ ng dụng ............................................................................................................ 10 2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc ........................................................................ 11 V. LỰ A CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH ....................................................... 11 PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ............................................................... 12 PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT K Ế THIẾT BỊ CHÍNH......................................................... 13 I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢ NG ......................................................................... 13 1. Dữ kiện ban đầu ...................................................................................................................... 13 2. Cân bằng vật chất .................................................................................................................... 13 3. Tổn thất nhiệt độ ..................................................................................................................... 14 4. Cân bằng năng lượ ng .............................................................................................................. 16 II. THIẾT K Ế THIẾT BỊ CHÍNH ................................................................................................. 18 A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC .................................................. 18 1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ........................................................................................... 18 2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi .......................................................... 19 3. Nhiệt tải riêng phía tườ ng....................................................................................................... 20 4. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc .......................................................... 20 5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt ................................................................................................. 20 B. TÍNH KÍCH THƯỚ C THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ............................................................................. 21 2. Tính kích thướ c buồng đốt ..................................................................................................... 22 3. Tính kích thướ c các ống dẫn .................................................................................................. 23 C. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ............................... 25 1. Tính cho buồng đốt ................................................................................................................. 25 2. Tính cho buồng bốc ................................................................................................................. 26 3. Tính cho đáy thiết bị ............................................................................................................... 29 4. Tính cho nắp thiết bị ............................................................................................................... 33 5. Tính mặt bích ........................................................................................................................... 35 7
6. Tính vỉ ống ............................................................................................................................... 36 7. Khối lượ ng và tai treo ............................................................................................................. 38 PHẦN IV. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ......................................................................................... 44 I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT ............................................................................................................... 44 1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ........................................................................................... 44 2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi .......................................................... 45 3. Nhiệt tải riêng phía tườ ng....................................................................................................... 46 4. Cân bằng năng lượ ng .............................................................................................................. 46 II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ............................................................................................................. 48 1. Chọn thiết bị ngưng tụ ............................................................................................................ 48 III. BỒN CAO VỊ ............................................................................................................................ 54 IV. BƠM ........................................................................................................................................... 55 1.Bơm tháo liệu ............................................................................................................................ 55 2.Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị ......................................................................... 57 V. CÁC THIẾT BỊ PHỤ ................................................................................................................. 59 1. Cử a sử a chữ a ............................................................................................................................... 59 2 . Kính quan sát .............................................................................................................................. 59 K ẾT LUẬN .......................................................................................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. 61
8
PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC I . NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Thiết k ế thiết bị cô đặc một nồi để cô đặc dung dịch NaOH. Nồng độ đầu: xđ = 12 % Nồng độ cuối: xc = 48 % Năng suất nhậ p liệu: Vđ = 2m3/h Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 0C Gia nhiệt bằng hơi nướ c bão hoà, áp suất 3 at Áp suất ngưng tụ: pck = pc = 1at
II. GIỚ I THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất r ắn màu tr ắng, có dạng tinh thể, khối lượ ng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sôi ở 1388 oC dướ i áp suất khí quyển.NaOH tan tốt trong nướ c (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan tỏa nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắ n và dung dịch NaOH đều dễ hấ p thụ CO2 từ không khí nên chúng cần đượ c 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 b ảo an toàn lao độ ng trong quá trình sản xuất NaOH. Ngành công nghiệ p sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và lâu năm. Nó đón g vai trò to lớ n trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệ t,tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn... Trước đây trong công nghiệp, NaOH đượ c sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng vớ i dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung d ịch sản phẩm thu được thườ ng có nồng độ r ất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và s ử dụng, ngườ i ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.
III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC 1. 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 – r ắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi r ất cao thường đượ c tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vậ t 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 k ết tinh. 2. Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ tr ạng thái lỏng sang tr ạng thái hơi dướ i 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 thấ p nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ 9
tách ra dướ i dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thườ ng là k ết 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 k ết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh. 3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt Để t ạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt c ủa các phân tử ch ất l ỏng g ần mặt thoáng lớn hơn tốc độ gi ớ i h ạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên k ết ở tr ạng thái lỏng và tr ở lực bên ngoài. Do đó, ta cầ n cung cấ p nhiệt để các phân tử đủ năng lượ ng thực hiện quá trình này. Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các b ọt khí hình thành trong quá trình cấ p nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượ ng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dướ i đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc. 4. Ứ ng dụng của sự cô đặc Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nướ c trái cây…Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… Hiện nay, phần lớ n các nhà máy s ản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc ch ỉ là một ho ạt động gián tiếp nhưng nó rất c ần thiết và gắn liền v ớ i s ự t ồn t ại của nhà máy. Cùng vớ i s ự phát triển c ủa nhà máy, việc c ải thiện hi ệu qu ả c ủa thiết b ị cô đặc là một t ất yếu. Nó đòi h ỏi ph ải có những thiết bị hi ện đại, đảm b ảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu đượ c đặt ra cho ngườ i k ỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý m ớ i của thiết bị cô đặc.
IV .THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT 1. Phân loại và ứ ng dụng 1.1.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 nhớ t thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm: Có buồng đốt trong (đồng tr ục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. Có buồng đốt ngoài (không đồng tr ục buồng bốc) - Nhóm 2: dung d ịch đối lưu cưỡ ng bức (tuần hoàn cưỡ ng 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 cườ ng h ệ s ố truyền nhiệt k, dùng đượ c cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớ t cao, giảm bám cặn, k ết 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 l ần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợ p cho các dung dịch thực phẩm như nướ c trái cây, hoa quả ép. Bao gồm: 10
dung dịch chảy ngượ c, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo khó vỡ . bọt Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít t ạo bọt và bọt dễ vỡ . 1.2.Theo phương thứ c thự c hiện quá trình - Cô đặc áp suất thườ ng (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 thấ p ở áp suất chân không.Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễ n ra liên tục. - Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớ n vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Ngườ i ta có thể cô chân không, cô áp l ực hay phối hợ p c ả hai phương pháp; đặc bi ệt có thể s ử d ụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. - Cô đặc liên tục: cho k ết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển t ự động nhưng hiện chưa có cả m bi ến đủ tin cậy. Đối v ớ i mỗi nhóm thiết b ị, ta đều có thể thiết k ế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện k ỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thườ ng hoặc áp suất dư. 2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc - Thiế t bị chính: Ống nhậ p liệu, ống tháo liệu Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắ p Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng - Thiế t bị phụ: Bể chứa nguyên liệu Bể chứa sản phẩm Bồn cao vị Lưu lượ ng k ế Thiết bị gia nhiệt Thiết bị ngưng tụ baromet Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị Bơm tháo liệu Bơm nướ c vào thiết bị ngưng tụ Bơm chân không Các van Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất… Màng
V. LỰ A CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH - Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện k ỹ thuật của đầu đề, ngườ i viết lựa chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. Thiết b ị cô đặc lo ại này có cấu t ạo đơn giản, d ễ v ệ sinh và sửa chữa. - Cô đặc ở áp suất chân khí quyển làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm 11
chi phí năng lượ ng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám l ại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị). - Tuy nhiên, loại thiết b ị và phương pháp này cho tốc độ tu ần hoàn dung dịch nhỏ (vì ống tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấ p.
PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 12%. Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồ n cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượ ng k ế r ồi 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 tr ụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ đượ c b ố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầ u ống đượ c giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống đượ c hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nướ c bão hoà có áp suất 3 at đi bên ngoài ố ng (phía vỏ). Dung dịch đi từ dướ i lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấ p nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi đượ c gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nướ c ngưng tụ thành nướ c lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chả y ra ngoài. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: Phần dướ i của thiết bị là buồng đốt, g ồm 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 độ ng 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 mộ t phần dung môi. Nguyên t ắc hoạt động của ố ng tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợ p lỏng – hơi có khối lượ ng riêng giảm đi và bị đẩy từ dướ i lên trên miệng ống. Đối v ớ i ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị b ề m ặt truyền nhiệt l ớn hơn so vớ i trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lượ ng riêng của hỗn hợ p lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so vớ i ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩ y xuống dướ i. K ết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dướ i lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. Phần phía trên thiết b ị là buồng b ốc để tách hỗn h ợ p l ỏng – 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 dướ i còn hơi thứ tiế p tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn lưu. Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ố ng 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 tr ực tiế p). Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ đượ c dẫn vào ngăn dướ i cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặ p nướ c giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí k hông ngưng tiế p tục đi lên trên, đượ c dẫn qua bộ phận tách giọt r ồi 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 b ị ngưng tụ gi ảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thi ết bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải đượ c lắp đặt ở độ cao cần thiết để nướ c 12
ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm. Bình tách giọt có một vách ngăn vớ i nhiệm v ụ tách những giọt l ỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.
Hút chân không
7
Nước làm lạnh 4
4
Hơi đốt
5
G N Ư G N C Ớ Ư N À V C Ớ Ư N
Dung dịch sôi
3
9
Hơi đốt
5
10
1
8 5
Sản phẩm
9. hệ thống tháo nước ngưng
1. Bể nhập nguyên liệu
5.Bơm
2.Thiết bị đun nóng
6.Thiết bị cô đặc
3.Lưu lượng kế
7.Thiết bị ngưng tụ Baromet
4.Bồn cao vị
8. Bể chứa sản phẩm
10. Bơm chân không
PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT K Ế THIẾT BỊ CHÍNH I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢ NG 1. Dữ kiện ban đầu Nồng độ đầu: xđ = 12 % Nồng độ cuối: xc = 48 % Năng suất nhậ p liệu: Vđ = 2m3/h Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 0C Gia nhiệt bằng hơi nướ c bão hoà, áp suất 3 at Áp suất ngưng tụ: pck = pc = 1at 2. Cân bằng vật chất 2.1.Suất lượ ng tháo liệu (Gc) Khối lượ ng riêng của dung dịch NaOH 12 % ở 30 0C: ρđ = 1126,3 kg/m (tra bảng 4,trang 11, [8]). Suất lượ ng nhậ p liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1126,3.2 = 2252,6 kg/h Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Gđ .xđ = Gc.xc 13
⇒
Gc =
đx.xđ= ,. = 563,15 (kg/h)
2.2.Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W) Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Gđ = W + Gc W = Gđ – Gc = 2252,6 – 563,15 = 1689,45 (kg/h)
⇒
3. Tổn thất nhiệt độ Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc = 1 at nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tw = 99 0C (trang 314, [1]). Δ’’’ là tổ n thất nhiệt độ của hơi thứ trên đườ ng ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ. Chọn Δ’’’ = 1 0C (trang 296, [5]). Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: tsdm(po) – tw = Δ’’’ tsdm(po) = tw + Δ’’’ = 99 + 1 = 100 0C Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 100 0C po = 1,033 at
⇒
⇒
⇒
3.1.Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’) Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]: ' = 'o . f Trong đó: 'o - t ổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển. Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = x tb = 30 %. Tra bảng VI.2, trang 67, [2]: 'o = 17 0C
∆∆
∆
∆
f – h ệ s ố hi ệu ch ỉnh do khác áp suất khí quyển, đượ c tính theo công thức VI.11, trang 59, [2]:
+ f = 16,2. Trong đó:
t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (t sdm(po) = 100 0C) r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc. Tra bảng I.251,trang 314, [1]: r = 2261,525 (kJ/kg).
+ ⇒ ƒ= 16,2. ,. = 0,9918
⇒⇒
Δ’ = 17.0,9918 = 16,86 0C tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 100 + 16,86 = 116,86 0C
3.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’) - Gọi Ptb – áp suất thủy tĩnh ở lớ p giữa dung dịch NaOH cần cô đặc, N/m2.
14
.g
Ptb = PO + ( h1 + ). ( Công thức V.12, trang 60,[2] Trong đó:
( N/m2 )
ρdd – khối lượ ng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi (kg/m3 ) Chọn tsdd(po+ Δp) = 120 oC, C% = x tb = 30 %, ta có ρ dd = 1261 (kg/m3) (tra bảng 4, trang 11, [8]). h2 – chiều cao ống truyền nhiệt ; m. Chọn h2 = 1,5 m. (bảng VI.6,trang 80,[2]. h1 – chiều cao thích hợ p của dung dịch sôi k ể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng (m). Chọn h1 = 0,3 m. g – gia tốc tr ọng trườ ng. PO – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2.
⇒
.g ,.., , + = 1,033+ ,. = 1,16 at
Ptb = PO + ( h1 + ).
Tra bảng I.251,trang 314,[1], ptb = 1,16 at tương ứng vớ i tsdm(ptb) =103,18 0C Ta có:
⇒ ⇒
Δ’’ = tsdm(ptb) - tsdm(po) =103,18 – 100 = 3,18 0C. tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 116,86 + 3,18 = 120,04 0C.
Sai số 0,33% đượ c chấ p nhận. Vậy tsdd(ptb) = 120 0C. Tổng tổn thất nhiệt độ:
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒
ΣΔ = 16,86 + 3,18 + 1 = 21,04 0C.
Gia nhiệt bằng hơi nướ c bão hoà, áp suất hơi đốt là 3 at, t D = 132,9 oC (bảng I.251, trang 315, [1]). Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67,[2].
Δthi = tD – tstb Trong đó: tstb – là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch. tstb = ΣΔ + tw = 21,04 + 99 = 120,04 0C. tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi 0C. 15
tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ 0C.
ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, 0C.
⇒
Δthi = 132,9 – 120,04 = 12,86 0C.
Thông số Nồng độ đầu Nồng độ cuối Năng suất nhậ p liệu Năng suất tháo liệu Hơi thứ Suất lượ ng Áp suất Nhiệt độ Enthalpy Ẩn nhiệt hóa hơi Hơi đốt Áp suất Ẩn nhiệt ngưng tụ Nhiệt độ Tổn thất nhiệt độ Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Áp suất trung bình Nhiệt độ sôi ở dung môi ở po Tổn thất nhiệt do cột thủy tĩnh Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb Tổn thất nhiệt độ trên đườ ng ống Tổng tổn thất nhiệt độ Chênh lệch nhiệt độ hữu ích
Ký hiệu Xđ Xc Gđ Gc
Đơn vị % % Kg/h Kg/h
Giá trị 12 48 2252,7 563,15
W P0 tw iw r w
Kg/h At 0C kJ/kg kJ/kg
1689,45 1,033 99 2677,4 2261,525
pD r D tD
at kJ/kg 0C
3 2171 132,9
tsdd (po) Δ’ (ptb) tsdm (ptb) Δ’’ tsdd (ptb) Δ’’’ ΣΔ Δthi
0C
116,86 16,86 1,26 103,18 3,18 120,04 1 21,04 12,86
0C
at 0C 0C 0C 0C 0C 0C
4. Cân bằng năng lượ ng 4.1.Cân bằng nhiệt lượ ng Dòng nhiệt vào (W): Do dung dịch đầu Gđcđtđ Do hơi đốt φDctD Do hơi ngưng trong đườ ng ống dẫn hơi đốt D.iD Dòng nhiệt ra (W): Do sản phẩm mang ra Gccctc Do hơi thứ mang ra W.iW D.cntD Do nước ngưng Nhiệt tổn thất Qtt Nhiệt độ của dung dịch NaOH 12% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: tvào = 30 oC tra = tsdd(po) = 116,86 oC Nhiệt độ của dung dịch NaOH 12 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 116,86 oC
⇒
16
⇒
Nhiệt độ của dung dịch NaOH 48 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là: tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 116,86 + 2.3,18 =123,22 0C (công thức 2.15, trang 107, [3]). Nhiệt dung riêng của dung d ịch NaOH: Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau đượ c tính theo công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]: a = 12 % (a < 0,2): cđ = 4186.(1 - a) = 4186.(1 - 0,12) = 3683,68 J/(kg.K) a = 48% (a > 0,2): cc = 4186 - (4186 - c ct).a = 4186 – (4186 – 1310,75).0,48 = 2805.88 J/(kg.K) Vớ i cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, đượ c tính theo công thức (I.41) và bảng I.141, trang 152, [1]:
.+.+. ++ = 1310,75 J/(kg.K)
cct = = 4.2. Phương trình cân bằng nhiệt.
Gđcđtđ + D.i D + φDctD = Gccctc + W.iW + D.cθ + Qtt
(*)
Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đườ ng ống dẫn hơi đốt vào buồng
đốt:
φDctD = 0.
Trong hơi nướ c bão hoà, bao gi ờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
⇒
Nhiệt lượng do hơi nướ c bão hoà cung c ấ p là D(1 - φ)( iD - cθ) (W)
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì ( iD - cθ) = r D = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt). (*)
⇒ ⇒
D(1 - φ)( iD - cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W iW + Qtt
(**)
Thay Qtt = εQD = 0,05QD : (**)
QD = D(1 - ε)(1 - φ)( iD - cθ) = Gđ(cctc - cđtđ) + W( i W - cctc)
⇒ − + − ε− đ − đ đ φ 2252, 6 1689, 4 5 2805, 8 8. 1 23, 2 2 3683, 6 8. 1 16, 8 6 26774002805, 8 8. 1 23, 2 2 3600 3600 = 10,0510.05.2171000 Lượng hơi đốt biểu kiến:
D=
=
= 0,52 (kg/s).
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấ p: QD = D(1 - ε)(1 – φ).r D =0,52.(1 – 0,05).(1-0,05).2171000 = 1018850,3 (W)
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
17
,, = 1,108 (Kg
d = =
hơi đốt/
Kg hơi thứ).
Thông số Nhiệt độ vào buồng bốc Nhiệt độ ra ở đáy buồng bốc Nhiệt dung riêng dung dịch 12% Nhiệt dung riêng dung dịch 48% Nhiệt tổn thất Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấ p Lượng hơi đốt dự kiến Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Đơn vị OC OC J/(kg.K) J/(kg.K) W W Kg/s Kg/kg
Ký hiệu tđ tc cđ cc Qtt QD D d
Giá trị 116,86 127,96 3683,68 2805,88 50942,515 1018850,3 0,52 1,108
II. THIẾT K Ế THIẾT BỊ CHÍNH A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 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), nướ c ngưng chảy màng (do ốngtruyền nhiệt ngắn có h0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên bề mặt đứng. Công thức (V.101), trang 28, [2 ] đượ c áp dụng: α1 = 2,04.A.
.∆,
Trong đó: α1 – hệ số cấ p nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K). r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nướ c 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 nướ c thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm. = : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt tườ ng tiế p xúc với hơi ngưng, oC
∆
+
tm = Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là = 129,8 0C. tm =
,+ , = 131,35 C. 0
Tra A ở [2], trang 28: tm (oC) 0 20 A 104 120 A = 191,405
⇒ ∆ ⇒
40 139
60 155
80 169
100 179
120 188
140 194
160 197
180 199
= 132,9 – 129,8 =3,1 0C.
, α =2,04.191,45 ,., = 10209,09 W/(m .K) 1
2
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
18
∆
q1=α1.
= 10209,09.3.1 = 31648,18 W/m2.
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]:
, , , α = α . . .. 2
n
; W/(m2.K)
Trong đó: αn - hệ s ố c ấ p nhi ệt c ủa nước khi cô đặ c theo nồng độ dung dịch. Do nướ c sôi sủi b ọt nên αn đượ c tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]: αn = 0,145.p0,5.Δt2,33 vớ i p=po=1,033at = 101337,3 N/m2 Ta chọn, tv2 = 129,5 oC
⇒ ⇒
Δt = Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) = 129,5 - 120 = 9,5 oC. αn = 0,145. 101337,30,5.9,52,33 = 8229,3,13 W/(m2.K)
cdd = 2805,88 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb). cdm = 4224,134 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nướ c ở tsdm(ptb) dd = 0,00171 Pa.s - độ nhớ t của dung dịch ở tsdd(ptb) dm = 0,000287 Pa.s - độ nhớ t của nướ c ở tsdm(ptb) ρdd = 1261 kg/m3 - khối lượ ng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb) ρdm = 947,56 kg/m3 - khối lượ ng riêng của nướ c ở tsdm(ptb) λdd = 0,59 W/(m.K) - h ệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb) λdm = 0,682 W/(m.K) - h ệ số dẫn nhiệt của nướ c ở tsdm(ptb) GHI CHÚ: cdm, dm, ρdm, λdm: tra bảng I.249, trang 311, [1] dd : tra bảng 9, trang 16, [8] ρdd : tra bảng 4, trang 11, [8] λdd đượ c tính theo công thức (I.32), trang 123, [1]:
λdd = A.cdd. ρdd.
A - hệ số phụ thuộc vào mức độ liên k ết của chất lỏng. Đối vớ i chất lỏng liên k ết.A = 3,58. . M – khối lượ ng mol của hỗn hợ p lỏng, ở đây là hỗn hợ p NaOH và H2O. M = a.M NaOH + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol. Giả sử nồng độ cuối của NaOH trong dung dịch là 48% thì:
10−
, a= = , = 0,2934 , + +
⇒
M = 0,2934.40 + (1-0,2934).18 = 24,45 kg/mol.
19
⇒ ⇒
λdd
, = 0,472 W/(m.K). − = 3,58. 10 .2805,88 1261.
.
, , , , , , α = 8229,3. , . , . . , 2
= 3465,86 W/(m2.K).
3. Nhiệt tải riêng phía tườ ng Công thức tính:
∆∑ ,, qv =
Trong đó: Σr v – tổng tr ở vách ( m2.K/W).
Σr v = r 1 + + r 2 = 0,3448.10-3 + Vớ i:
(W/m2).
+ 0,387.10-3 = 0,8545.10-3( m2.K/W).
r 1= 0.3448.10-3 (m2.K/W) – nhiệt tr ở phía hơi nướ c do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]). r 2 = 0,387.10-3 (m2.K/W) – nhiệt tr ở phía dung dịch do vách trong của ống có lớ p 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] vớ i ống đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T). Δtv = tv1 - tv2 ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tườ ng.Vớ i quá trình cô đặc liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2. Δtv = qv.Σr v = 31648,18.0,8545.10-3 = 27,04 oC. Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q2 = α2.Δt2 = 3628,36.9,5 = 32095,22 W/m2. Nhiệt tải riêng trung bình:
⇒
qtb =
+ = ,+,
= 31871,7 W/m2.
4. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc K đượ c tính thông qua các hệ số cấ p nhiệt: K=
= +Σv+ , +,.+, = 814,3 W/ (m .K). 2
5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt 20
F=
.∆ = , , ., = 97,3 m . 2
Thông số Nhiệt độ tường phía hơi ngưng Nhiệt độ tườ ng phía dung dịch sôi Hê số cấ p nhiệt phía hơi ngưng Hệ số cấ p nhiệt phía dung dịch sôi Bề dày ống truyền nhiệt Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống Nhiệt tr ở phía hơi nướ c Nhiệt tr ở phía dung dịch Hệ số truyền nhiệt tổng quát Nhiệt tải riêng trung bình Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Ký hiệu tv1 tv2
r 1 r 2 K qtb F
Đơn vị oC oC W/ (m2.K) W/ (m2.K) m W/(m.K) m2.K/W m2.K/W W/ (m2.K) W/m2 m2
Giá trị 129,8 128,4337 10209,09 3628,36 0,002 16,3 0,3448.10-3 0,387.10-3 814,3 31871,7 97,3
B. TÍNH KÍCH THƯỚ C THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 1. Tính kích thướ c buồng bốc 1.1.Đườ ng kính buồng bốc (Db) Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc: Vh = = = 0,785 m3/s.
.,,
Trong đó: W – suất lượng hơi thứ (kg/h). - 0,5967 kg/m3 là khối lượ ng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc p0 = 1,033 at ( tra b ảng I.251,trang 314 , [1]).
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc: = = (m/s). h =
. ..,
Trong đó: D b là đườ ng kính buồng bốc (m). Tốc độ lắng: đượ c tính theo công thức 5.14, trang 276, [5].
. . − = .. . = .,..,,.−,,.. ,, = ,,
Trong đó: = 945,92 kg/m3 – khối lượ ng riêng của giọt lỏng ở tsdm(po) (tra bảng I.249,trang 311,[1]). 3 h = 0,5967 kg/m – khối lượ ng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc ở po = 1,033at. d – đườ ng kính giọt lỏng; m. Chọn d = 0,0003 m (trang 292, [5]). – hệ số tr ở lực, tính theo Re:
′
21
Re = Vớ i:
..′′ =,.,. ,., = ,
(1)
,, ⇒ ,
= 0,012.10-3 Pa.s là độ nh ớt động lực h ọc của hơi thứ ở áp suất 1,033 at (tra hình VI, trang 57, [8]). Nếu 0,2 < Re < 500 thì = (2) (1), (2) = 3,67. Áp dụng điều kiện wh < (0,7 ÷ 0,8)wo theo [5]: Chọn wh < 0,7wo <0,7.
⇒ , 1,0,36 ⇒⇒ chọ
D b > 1,587 n Db = 1,6 m = 1600 mm theo tiêu chu ẩn trang 293, [5] Kiểm tra lại Re: Re = = 5,8 (thỏa 0,2< Re < 500). V ậy D b = 1600mm.
,,
1.2.Chiều cao buồng bốc (Hb) Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]: Utt = f.Utt(1 at); m3/(m3.h) Trong đó: f – hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển. Utt(1 at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at. Chọn Utt(1 at) = 1650 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2]). Utt = 1,1.1650 = 1815 m3/(m3.h) Thể tích buồng bốc:
⇒
, = + ,+ = 0,93 m ., ⇒ Chiều cao buồng bốc : H = . = ,., = 1,46 3
V b =
b
Nhằm mục đích an toàn, ta chọ n H b = 1,4 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt).
2. Tính kích thướ c buồng đốt 2.1.Số ống truyền nhiệt Số ống truyền nhiệt đượ c tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]: n=
..
Trong đó : F = 97,3 – diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2). l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt. d – đườ ng kính của ống truyền nhiệt. Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm. 22
Số ống truyền nhiệt là: n= = 826 Theo bảng V.11, trang 48, [2], ch ọn số ống n = 817 và bố trí ống theo hình lục giác đều. 2.2.Đườ ng kính ống tuần hoàn trung tâm (D th) Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:
, ,.,.,
. . . ,.,. Dth =
Chọn f 1 = 0,3 FD. vớ i FD =
⇒ ., ⇒ , ⇒ chọ
(m).
=
= 0,539 m.
f 1 = 0,3.0,539 = 0,1617 m2. Dth =
= 0,45
n Dth = 0,4m = 400 mm theo tiêu chu ẩn trang 290,[5].
Kiểm tra : Dth = = 16 > 10 (th ỏa). 2.3.Đườ ng kính buồng đốt (Dt)
Đối vớ i thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt đượ c bố trí theo hình lục giác đều, đườ ng kính trong của buồng đốt đượ c tính theo công thức (III-52), trang 135,[4]: Dt =
,,.... 2. .
(m)
(3)
Trong đó: - hệ số, thườ ng có giá tr ị từ 1,3 đến 1,5. Chọn β = 1,4. dn = 0,029 m – đườ ng kính ngoài của ống truyền nhiệt. – hệ số sử dụng vỉ ống, thườ ng có giá tr ị từ 0,7 đến 0,9. Chọn = 0,8. l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt. Dnth = 0,45 + 2.0,002 = 0,454 m – đườ ng kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm. α = 60o – góc ở đỉnh của tam giác đề u. F = 103,78 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt.
⇒ ,,..,,..,., 0,4542.1,4.0,029 ⇒ chọ (3)
Dt =
=1,37 m.
n Dt = 1,4 m = 1400 mm theo tiêu chu ẩn trang 291,[5].
3. Tính kích thướ c các ống dẫn Đườ ng kính của các ống đượ c tính một cách tổng quát theo công thức (VI.41), trang
74, [2]:
Trong đó
:
⇒ d= ... 23
G – lưu lượ ng khối lượ ng của lưu chất; kg/s v – tốc độ của lưu chất; m/s ρ – khối lượ ng riêng của lưu chất; kg/m3 3.1.Ống nhập liệu Gđ = 2252,6 kg/h. Nhậ p liệu chất lỏng ít nhớ t (dung dịch NaOH 12% ở 116,86 oC). Chọn v = 1,5 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1072,555 kg/m3
⇒ d= ... ,.,.,.,. =
= 0,12 m.
Chọn dt = 120 mm. dn = 125 mm.
3.2.Ống tháo liệu Gc = 563,15 kg/h Tháo liệu chất lỏng ít nhớ t (dung dịch NaOH 48% ở 123,22 oC). Chọn v = 1 m/s (trang74, [2]). ρ = 1437,51 kg/m3
⇒ d= ... ,..,,.. =
= 0,038 m.
Chọn dt = 40 mm dn = 45 mm.
3.3.Ống dẫn hơi đốt Lượng hơi đốt biểu kiến D = 0,52 kg/s. Dẫn hơi nướ c bão hoà ở áp suất 3 at. Ch ọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 0,618 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
⇒ d= ... ,..,,. =
= 0,23m.
Chọn dt = 250mm , dn = 259mm.
3.4. Ống dẫn nước ngưng Chọn GD = D = . 0,52 = 0,173 kg/s. Dẫn nướ c lỏng cân bằng với hơi nướ c bão hoà ở 3 at. Chọn v = 0,75 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1618 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
⇒ d= .4.. 3,14.4.00,7,15.731618 =
Chọn dt = 20mm
= 0,013 m.
dn = 25mm.
3.5.Ống dẫn hơi thứ W = 1689,45 kg/h Dẫn hơi nướ c bão hoà ở áp suất 1,033 at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). 24
ρ = 0,5790 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 314, [1]).
⇒ d= ... ,..,.,. =
= 0,2272m.
Chọn dt = 250mm. dn = 259mm. 3.6.Ống dẫn khí không ngưng : Chọn dt = 20 mm; dn = 25 mm.
C. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 1. Tính cho buồng đốt 1.1.Sơ lượ c về cấu tạo Buồng đốt có đườ ng kính trong Dt = 1400 mm, chi ều cao Ht = 2000 mm. Thân có 3 lỗ, ứng vớ i 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng. Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớ p cách nhiệt. 1.2.Tính toán Bề dày t ối thiểu S’: Hơi đốt là hơi nướ c bão hoà có áp suất 3 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là: pm = pD – pa = 3 – 1 = 2 at = 0,1962 N/mm2 Áp suất tính toán là: Pt = pm + ρgH = 0,1962 + 1261.9,81.10-6.2 = 0,214 N/mm2 Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 132,9 oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt = tD + 20 = 132,9 + 20 = 152,9 oC (trườ ng hợ p thân có bọc lớ p cách nhiệt) Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là: [σ]* = 115 N/mm2 Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớ p cách nhiệt) (trang 17, [7]). Ứ ng suất cho phép của vật liệu là: [σ] = η.[σ]* = 0,95.115 = 109,25 N/mm2 Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồ i của vật liệu ở ttt là E = 1,95.105 N/mm2.
⇒
. = ,,., = 484,98 > 25 Theo công thức 5-3, trang 96, [7]: . .. .. , S = = ,., = 1,45 mm. Xét:
Trong đó: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía) Dt = 1400 mm – đườ ng kính trong của buồng đốt. Pt = 0,214 N/mm2 – áp suất tính toán của buồng đốt. Bề dày thự c S: Dt = 1400 mm Smin = 3 mm > 1,45 mm chọn S’ = S min = 3 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [7]). Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thờ i gian làm việc 10 năm). Vật liệu đượ c xem là bền cơ học nên C b = Cc = 0.
⇒
⇒
25
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [2]). Hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + C b + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,22 = 1,22 mm Bề dày thực là: S = S’ + C = 3 + 1,22 = 4,22 mm Chọn S = 5 mm. Kiể m tra bề dày buồng đố t: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:
⇒ ⇒
− = − = 0,0028 < 0,1 (thỏa). Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt: ..+.−− = .+− ,.− = 0,622 N/mm > 0,214 N/mm [P] =
2
2
Vậy bề dày buồng đốt là 5mm. Đườ ng kính ngoài của buồng đốt: Dn = Dt + 2S = 1400 + 2.5 = 1410 mm.
⇒
Tính bề n cho các l ỗ :
Đườ ng kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]):
. .1
dmax = ; mm. Trong đó: Dt = 1400 mm – đườ ng kính trong của buồng đốt. S = 5 mm – bề dày của buồng đốt. k – hệ số bền của lỗ. k=
. , . = ,.−. − ,.,−,. − = 0,29
⇒ 1400. 109,25 1.10,29
dmax = = 47,5 mm. So sánh: Ống dẫn hơi đốt Dt = 250 mm > dmax Ống xả nước ngưng Dt = 20 mm < dmax Ống xả khí không ngưng Dt = 20 mm < dmax Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, dùng bạc tăng cứng vớ i bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân (5 mm). 2. Tính cho buồng bốc 2.1.Sơ lượ c về cấu tạo Buồng bốc có đườ ng kính trong là D b =1600 mm, chiều cao H b = 1800 mm. Thân gồm: ống nhậ p liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 2 kính quan sát. Phía dướ i buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên k ết vớ i buồng đốt. p cách nhiệt. Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớ
⇒
2.2.Tính toán Bề dày t ối thiểu S’: 26
Buồng b ốc làm việc ở điều ki ện chân không nên chịu áp lực t ừ bên ngoài. Vì áp su ất tuyệt đối thấ p nhất ở bên trong là 1,033 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là: Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 1,033 = 0,967 at = 0,095 N/mm 2 Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 100 oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: ttt = 100 + 20 = 120 oC (trườ ng hợ p thân có bọc lớ p cách nhiệt). Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía). Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là: [σ]* =120 N/mm2 Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớ p cách nhiệt) (trang 17, [7]). Ứ ng suất cho phép của vật liệu là: [σ] = η.[σ]* = 0,95.120 = 114 N/mm2 (Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồ i của vật liệu ở ttt là E = 1,99.105 N/mm2.) Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [7]). Ứ ng suất chảy của vật liệu là = [σ]*.nc = 120.1,65 = 198 N/mm2
⇒
⇒
Áp dụng công thức 5-14,trang 98,[7]:
, , , S’ = 1,18.D. . = 1,18.1600. . = 5,3 mm . . Trong đó: Dt = 1600 mm – đườ ng kính trong của buồng bốc. Pn = 0,095 N/mm2 – áp suất tính toán của buồng bốc. L = 1800 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích. Bề dày thự c S: Dt = 1600 mm Smin = 3 mm < 5,3 mm chọn S’ = 5,3 mm (theo bảng 5.1,trang 94, [7]). Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thờ i gian làm việc 10 năm). Vật liệu đượ c xem là bền cơ học nên C b = Cc = 0. Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,5 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [2]). Hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + C b + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,5 = 1,5 mm Bề dày thực là: S = S’ + C = 5,3 + 1,5 = 6,8 mm Chọn S = 7 mm. Kiể m tra bề dày buồng bố c:
⇒
⇒
⇒ ⇒
= = 1,125 27
Kiểm tra công thức 5-15,trang 99,[7]:
, .− ≤ ≤ , .− , .− ≤ 1,125 ≤ ,
.−
≤ ≤
1,125 26,09 (thỏa). 0,038 Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác d ụng của áp suấ t ngoài: So sánh Pn vớ i áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99,[7]:
≥ P [p ] = 0,649. 7 1 7 1 0,649. 1,99.10 . 1600 1600 ≥ 0,095 Et.
n
n.
5
0,127 N/mm2
≥
0,095 N/mm2 (thỏa).
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác d ụng của l ự c nén chiề u tr ục:
Xét: L = 1800 mm ≤ D = 7.900 = 63 00 mm Lực nén chiều tr ục lên buồng bốc:
. . , . +. . , = P = = 194267,6 N. nct
Theo điều kiện 5-33, trang 103, [7]:
≤ .− . − 2. 2. 25
50
⇒ ⇒
qc = 0,126
≤
250.
ở [7] trang 103.
Tra qc = f.
qc
133,34
0,05
K
c =
100
150
200
250
500
1000
2000
5000
0,098 0,14
0,15
0,14
0,118
0,08
0,06
0,055
875. . q = 875. ,. . 0,126 = 0,109. c
Điều kiền thỏa mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [7]): S – Ca
≥ .Pt.
↔ ≥ ,., ..,. (7 - 1)
28
↔≥
6 1,68 (thỏa). Ứ ng suất nén đượ c tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]:
, .− Pt + ,.− + − . − =
=
= 6,41 N/mm2.
Ứ ng suất nén cho phép đượ c tính theo công thức 5-31, trang 103, [7]: [ ]= . = 0,109.1,99.105. = 81,34 N/mm2 Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác d ụng đồng thờ i của áp suấ t ngoài và l ự c nén chiề u tr ục: Kiểm tra điều kiện 5-47, trang 107, [7]: + 1
≤ , , 1 (thỏa) ↔Vậ,y bề dày + ,buồng = 0,82 ≤ bốc là 7 mm.
⇒
Đườ ng kính ngoài của buồng bốc: Dn = Dt + 2S = 1600 + 2.7 = 1614 mm.
Tính bề n cho các l ỗ :
Đườ ng kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]):
. .1
dmax = ; mm. Trong đó: Dt = 1600 mm – đườ ng kính trong của buồng bốc. S = 7 mm – bề dày của buồng đốt. k – hệ số bền của lỗ. k=
. , . = ,.− . − ,.−,. − = 0,096
. .1 1600.114. 71.10,096
dmax = = 99,64 mm
=
So sánh: Ống nhậ p liệu Dt = 20 mm < d max Cửa sửa chữa Dt = 500 mm > d max Kính quan sát Dt = 200 mm > d max Cần tăng cứng cho cửa sửa chữa và kính quan sát, dùng bạc tăng cứng vớ i bề dày khâu tăng cứng là 15 mm. 3. Tính cho đáy thiết bị 3.1.Sơ lượ c về cấu tạo Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1400 mm. Đáy nón có phầ n gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60 o. Tra bảng XIII.21, trang 394, [2]: Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ ) là H = 1269 mm Thể tích của đáy nón là V đ = 0,071 m3. Đáy nón đượ c khoan 1 lỗ để tháo liệu và 1 lỗ để gắn vòi thử sản phẩm.
⇒
29
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T. m3 3.2.Tính toán Chiề u cao phần hình nón cụt nố i buồng bố c và buồng đố t H c: - Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc. - Tổng thể tích của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:
. . + . , . . , + , . , = V = = 0,79 m . 3
1
Với n’ = tổng số ống truyền nhiệt(n) – số ống truyền nhiệt đượ c thay thế(n’’) n’’ = .( b2 -1) = .( 102 -1) = 74 ống.
≥⇒ n’=−.
= 10.công thức V.140,trang 49,[2]) 817 – 74 = 743 ống. - Thể tích của phần đáy nón: V2 = Vđ = 0,071 m3 - Với đườ ng kính trong của ống nhậ p liệu là 20 mm, t ốc độ nhậ p liệu đượ c tính lại: (b
Vnl =
, đ = . . ,.,.,
= 1,189 m/s.
- Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm: l . , . , v’= = , = 0,0036 m/s. -Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị : đ 1,5 0,0712 + 0, 4 54 + 4 Trong = v’đó: = = 0,0036 = 799,04 s. vnl – tốc độ của dung dịch trong ống nhậ p liệu; m/s dnl – đườ ng kính trong của ống nhậ p liệu; m Dth - đườ ng kình trong của ống tuần hoàn; m l – chiều dài của ống truyền nhiệt; m l’ – chiều dài hình học của đáy; m - Thể tích dung dịch đi vào trong thiết bị:
. . , đ đ , .,
∑V = Vs . =
. =
. =
= 0,932 m3.
Trong đó : là khối lượ ng riêng của dung dịch sôi bọt trong thiết bị.; kg/m3. -Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối vớ i buồng đốt: V3 = ΣV – V1 – V2 = 0,932 – 0,79 – 0,071 = 0,071 m3. - Chọn chiều cao của phần gờ nối vớ i buồng đốt là Hgc = 30 mm. Thể tích của phần gờ nối vớ i buồng đốt:
⇒
30
⇒ ⇒
, . , . , = 0,046 m . đ V = . .ℎ = 3
gc
Thể tích của phần hình nón cụt: V c V 3 V gc 0,071 0,046 0,025 m3. Chiều cao của chất lỏng phần hình nón cụt: Hc =
. , = . . ,.,+,.,+ , = 0,254 m.
Chọn H =250 mm. c
Bề dày thự c S:
- Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị: H’ = Hc + Hgc + H bđ + Hđ = 250 + 30 + 1500 + (30 + 1269) = 3079 mm = 3,079 m Trong đó: Hc – chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt; m Hgc – chiều cao của chất lỏng trong phần gờ nối vớ i buồng đốt; m H bđ – chiều cao của chất lỏng trong buồng đốt; m Hđ – chiều cao của chất lỏng trong đáy nón; m. -Áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị: ptt = ρdd.g.H’ = 1261.9,81.2,843.10-6 = 0,035 N/mm2. - Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 1,033 at nên ch ịu áp suất ngoài là 0,967 at = 0,095 N/mm2 (61). Ngoài ra, đáy còn chị u áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị. Như vậy, áp suất tính toán là: Pn = pm + ptt = 0,095 + 0,035 = 0,13 N/mm2 -Các thông số làm việc: Dt = 1400 mm p0 = 1,033 at = 0,001013 N/mm2 tm = tsdd(po + 2Δp) = 123,22 oC. -Các thông số tính toán: l’ – chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 1269 mm D’ – đườ ng kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, trang 133, [7]).
. ′ ,.+,. ,.+, s
= = = 1457,23 mm. Trong đó: dt = 20 mm – đườ ng kính trong bé của đáy nón (đườ ng kính của ống tháo liệu) Pn = 0,13 N/mm2 tt = 123,22 + 20 = 143,22 oC (đáy có bọ c lớ p cách nhiệt). -Các thông số cần tra và chọn: [σ]* = 116 N/mm2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt (hình 1-2, trang 16, [7]) p cách nhiệt) η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọ c lớ 2 [σ] = η.[σ]* = 0,95.116 = 110,2 N/mm - ứng suất cho phép của vật liệu Et = 2,0.105 N/mm2 – module đàn hồi của vật liệu ở tt 31
(bảng 2-12, trang 34, [7]) nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7]) = n c.[σ]* = 1,65.116 = 191,4 N/mm2 – gi ớ i h ạn chảy của v ật li ệu ở t t (công thức1-3, trang 13, [7]) - Chọn bề dày tính toán đáy S = 8 mm. Kiể m tra bề dày đáy:
= , = 0,89 Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]:
, .− ≤ ≤ , .− , .− ≤ 0,89 ≤ , ,
,
≤ ≤
.−
0,89 22,12 (thỏa)
Kiểm tra độ ổ n định của đáy khi chịu tác d ụng của áp suấ t ngoài:
So sánh Pn vớ i áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19,trang 99, [7]:
− − ≥ P [p ] = 0,649. 8 1 8 1 0,649. 2.10 . 1400 1400 ≥ 0,13 n
Et.
n.
5
≥
0,25 N/mm2 0,13 N/mm2 (thỏa). Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác d ụng của l ự c nén chiề u tr ục:
. . , . + . , P = = = 203461,58 N. nct
Trong đó: Dn – đườ ng kính ngoài; mm Pn – áp suất tác dụng lên đáy thiết bị; N/mm2 - Lực nén chiều tr ục cho phép: [P] = π.K c.Et.(S-Ca)2.cos2α
Trong đó: K c – hệ số phụ thuộc vào t ỷ số
.− ,tính theo công thức trang 103,[7]
≤ .− . − ≤
25
100
250.
32
⇒ ⇒⇒ K qc = 0,074
, .
875. . qc = 875. . 0,074 = 0,062. [P] = π.K c.Et.(S-Ca)2.cos2α = 3,14.0,062.2.105(8 – 1)2. cos230 = 1430898 N > 203461,58 N (thỏa) c =
Điề u kiện ổ n định của đáy:
+ ≤ 1 , + ↔ , , = 0,66 ≤ 1 (thỏa) Vậy bề dày của đáy là 8 mm. Tính bề n cho các l ỗ :
Vì đáy chỉ có l ỗ để tháo liệu nên đườ ng kính lớ n nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng đượ c tính theo công thức (8-3), trang 162, [7]: dmax = 2.
− 0,8 ′ − 0,8 1457,2381 1
dmax = 2. = 74,06 mm. Trong đó: S – bề dày đáy thiết bị; mm S’ – bề dày tính toán tối thiểu của đáy; mm (chọn theo cách tính của buồngđốt) Ca – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm D’ – đườ ng kính tính toán của đáy; mm So sánh: Ống tháo liệu Dt = 20 mm < d max Không cần tăng cứng cho lỗ.
⇒
4. Tính cho nắp thiết bị 4.1.Sơ lượ c về cấu tạo - Chọn nắ p ellipse tiêu chuẩn Dt = 1600 mm.
⇒ ℎ
400 mm và R = D =1600 mm. - Nắ p có gờ và chiều cao gờ là h = 50 mm. =
=
t
t
g
- Nắ p có 1 lỗ để thoát hơi thứ. - Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
Tính toán
4.2.
33
Bề dày thự c S:
- Nắ p có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng b ốc là po = 1,033 at nên ch ịu áp suất ngoài là Pn = 0,967 at = 0,095 N/mm2 (51). - Nhiệt độ tính toán của nắ p giống như buồng bốc là tt = 100 + 20 = 120 oC (nắ p có bọc lớ p cách nhiệt). - Chọn bề dày tính toán nắ p S = 7 mm. Kiể m tra bề dày nắ p: - Xét các t ỷ số: = 320. = 1,074 =
,.. = ,,..,. = 215,367
, . ⇒ ≤ . và 0,2 ≤ ℎ ≤ 0,3 ⇒ [P ] = ...− (công thức 6-12, trang 127, [7]) n
Trong đó: Et = 1,99.105 N/mm2 – module đàn hồi của vật liệu ở tt = 120 oC (bảng 2-12, trang 34, [7]) = nc.[σ]* = 1,65.120 = 198 N/mm2 (giớ i hạn chảy của vật liệu ở tt (công thức 1-3, trang 13, [7]) Vớ i: [σ]* = 120 N/mm2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt (hình 1-2, trang16, [7]) nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7]) x = 0,7 vớ i thép không gỉ.
=
− +... = ,..−+.,.. − −,... −. ,..−−,.,.. −,.
⇒ .,,..−
=3,077 = 85,67 N/mm2 – ứng suất cho phép của vật liệu làm nắ p .
>
[Pn] = = 0,208 N/mm2 0,095 N/mm2 (thỏa) Vậy bề dày của nắ p ellipse là 7mm. Tính bề n cho các l ỗ :
Vì nắ p chỉ có lỗ để tháo liệu nên đườ ng kính lớ n nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng đượ c tính theo công thức (8-3), trang 162, [7]: dmax = 2.
− 0,8 ′ ,− 0,8 160071 1
dmax = 2. Trong đó: S – bề dày đáy thiết bị; mm
= 70,58 mm.
34
S’ – bề dày tính toán tối thiểu của đáy; mm (chọn theo cách tính của buồng bốc) Ca – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm D’ – đườ ng kính tính toán của đáy; mm So sánh: Ống dẫn hơi thứ Dt = 150 mm > d max Cần tăng cứng cho lỗ của ống dẫn hơi thứ, dùng bạc tăng cứ ng vớ i bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày nắ p (7 mm).
⇒
5. Tính mặt bích 5.1.Sơ lượ c về cấu tạo - Bu lông và bích đượ c làm từ bằng thép CT3. - Mặt bích ở đây được dùng để nối nắ p của thiết bị vớ i buồng bốc, buồng bốc vớ i buồng đốt và buồng đốt với đáy của thiết bị. Chọn bích liền bằng thép, kiểu1 (bảng XIII.27, trang 417, [2]). Các thông số cơ bản của mặt bích: Dt – đườ ng kính gọi; mm D – đườ ng kính ngoài của mặt bích; mm D b – đườ ng kính vòng bu lông; mm D1 – đường kính đến vành ngoài đệ m; mm D0 – đường kính đến vành trong đệm; mm d b – đườ ng kính bu lông; mm Z – số lượ ng bu lông; cái h – chiều dày mặt bích; mm 5.2.Chọn mặt bích - Buồng đốt và buồng bốc đượ c nối với nhau theo đườ ng kính buồng đốt Dt = 1400 mm. - Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,214 N/mm2. Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,095 N/mm2. Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm2 để bích kín thân. - Các thông số của bích đượ c tra từ bảng XIII.27, trang 419, [2]:
⇒
Py
Dt
N/mm2
mm 1400
0,6
BUỒNG BỐC – BUỒNG ĐỐT Kích thướ c nối D Db D1 D0 Bu lông Db Z mm mm cái 1540 1490 1460 1413 M20 28
Kiểu bích 1 h mm mm 28 2
đệ
- Buồng đốt và đáy đượ c nối với nhau theo đườ ng kính buồng đốt Dt = 600 mm. - Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,214 N/mm2. Áp suất tính toán của đáy là 0,1 5795 N/mm2. Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm2 để bích kín thân. - Các thông số của bích đượ c tra từ bảng XIII.27, trang 422, [2]:
⇒
35
Py
Dt
D
N/mm2 0,6
mm 1400
1540
ĐÁY – BUỒNG ĐỐT Kích thướ c nối Db D1 D0 Bu lông Db Z mm mm cái 1490 1460 1413 M20 28
Kiểu bích 1 h mm mm 28 2
đệ
- Buồng bốc và nắp đượ c nối với nhau theo đườ ng kính buồng bốc Dt = 1600mm. - Áp suất tính toán của buồng bốc và nắ p cùng là 0,095 N/mm2.
⇒
Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,3 N/mm2 để bích kín thân. - Các thông số của bích đượ c tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2]:
Py
Dt
D
N/mm2
mm 1600
1740
0,3
BUỒNG BỐC – NẮP Kích thướ c nối Db D1 D0 Bu lông Db Z mm mm cái 1690 1650 1613 M20 32
Kiểu bích 1 h mm mm 28 2
đệ
6. Tính vỉ ống 6.1.Sơ lượ c về cấu tạo - Ch ọn v ỉ ống loại ph ẳng tròn, lắ p c ứng v ớ i thân thiết b ị. V ỉ ống phải gi ữ ch ặt các ống truyền nhiệt và bền dướ i tác dụng của ứng suất. - Dạng của vỉ ống đượ c giữ nguyên trướ c và sau khi nong. - Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T. - Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là tt = tD = 132,9 oC - Ứ ng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt là = 118 N/mm2 (hình 1-2, trang 16, [7]). Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 1. Ứ ng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt là: = 1.118 = 118 N/mm2. = η. 6.2.Tính toán Tính cho vỉ ố ng ở trên buồng đố t: - Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1' được xác định theo công thức (8-47), trang 181, [7]:
∗
⇒ ∗
ℎ′ =
.K.
,
= 1400.0,3.
= 17,12 mm.
Trong đó: K = 0,3 – hệ số đượ c chọn (trang 181, [7]) Dt – đườ ng kính trong của buồng đốt; mm po – áp suất tính toán ở trong ống; N/mm2 – ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt; N/mm2 Chọn h1' = 20 mm - Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác đị nh theo công thức
36
(8-48), trang 181, [7]:
ℎ′ . =
.K.
Trong đó: K = 0,45 – hệ số đượ c chọn (trang 181, [7]) φ0 – hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ.
Vớ i:
⇒
=
∑ < 1.
Dn = 1400 mm – đườ ng kính vỉ ống; mm Σd – tổng đườ ng kính của các lỗ đượ c bố trí trên đườ ng kính vỉ; mm Σd = 6.25+ 1400 = 1550 mm. = 0,043
< ⇒ℎ′ 1.
.,,
=1400.0,45.
= 52,6 mm.
Chọn h’ = 50 mm Kiể m tra bề n vỉ ố ng: Ứ ng suất uốn của vỉ đượ c xác định theo công thức (8-53), trang 183, [7]:
=
,. − ,.
Trong đó: dn = 29 mm – đườ ng kính ngoài của ống truyền nhiệt
√ . √ m = 35,16 mm – được xác định theo hình 8-14,trang 182, [7] vớ i các ống đượ c bố trí theo đỉnh của tam giác đề u t = 0,0406 m – bướ c ống
L
.0,0406 0,03516
⇒ ,. − ,,.,, =
≤
= 0,064 N/mm2 118 N/mm2
Tính cho vỉ ố ng ở dướ i buồng đố t:
- Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1' được xác đị nh theo công thức (8-47), trang 181, [7]:
ℎ′ =
.K.
,
= 1400.0,3.
= 17,8 mm.
Trong đó: K = 0,3 – hệ số đượ c chọn (trang 181, [7]) Dt – đườ ng kính trong của buồng đốt; mm po – áp suất tính toán ở trong ống; N/mm po = pm + ρddmax.g.H = 0,1962 + 1261.9,81.1,5.10-6 = 0,214 N/mm2 Vớ i: ρddmax = ρdd (30 %, 120 oC) = 1261 kg/m3 . chọn = 20 mm. - Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác đị nh theo công thức (8-48), trang 181, [7]:
ℎ′
37
ℎ′ ′ . ⇒ℎ′ ℎ =
.K .
.,,
=1400.0,45.
= 21,17 mm.
Chọn = 20 mm. Kiể m tra bề n vỉ ố ng: Ứ ng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức (8-53), trang 183, [7]:
,. − ,. ,. − ,,.,, ≤ =
=
= 0,445 N/mm2 118 N/mm2 Vậy vỉ ống ở dướ i buồng đốt là 20 mm.
7. Khối lượ ng và tai treo Khối lượ ng tai treo cần chịu: m = mtb + mdd - Tổng khối lượ ng thép làm thiết bị: mtb = mđ+mn+ m bb+ m bđ + mc + mvỉ + mống TN + mống TH + m bích + m bu lông + mốc Trong đó: mđ – khối lượng thép làm đáy; kg mn – khối lượ ng thép làm nắ p; kg m bb – khối lượ ng thép làm buồng bốc; kg m bđ – khối lượ ng thép làm buồng đốt; kg mc – khối lượ ng thép làm phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt; kg mống TN – khối lượ ng thép làm ống truyền nhiệt; kg mống TH – khối lượ ng thép làm ống tuần hoàn trung tâm; kg Khối lượ ng riêng của thép không gỉ OX18H10T là ρ1 = 7900 kg/m3 Khối lượ ng riêng của thép CT3 là ρ 2 = 7850 kg/m3.
7.1.Buồng đốt Buồng đốt đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Thể tích thép làm bu ồng đốt: V bd = = .(1,412 – 1,42).1,5 = 0,033 m3 Trong đó: Dnbđ – đườ ng kính ngoài của buồng đốt; m Dtbđ – đườ ng kính trong của buồng đốt; m H bđ – chiều cao của buồng đốt; m Khối lượ ng thép làm buồng đốt: m bđ = ρ1.V bđ = 7900.0,049 = 260,7 kg.
(đ đ).đ ,
7.2.Buồng bốc Buồng bốc đượ c làm b ằng thép không gỉ OX18H10T. Thể tích thép làm bu ồng bốc: 38
V bb =
( ). = ,.(1,614 – 1,6 1,6 ).1,4 = 0,049 m . 2
2
3
Trong đó: Dnbb – đườ ng kính ngoài của buồng bốc; m – đườ ng Dtbb – đườ ng kính trong của buồng bốc; m – đườ ng H bb – chi chiều cao của buồng đốt; Khối lượ ng ng thép làm buồng đốt: m bb = ρ1.V bđ = 7900.0,049 = 387,1 kg. 7.3.Phầ 7.3.Phần hình nón cụ c ụt giữ giữ a buồ buồng bố bốc và buồng buồng đốt đốt Phần hình nón cụt đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T. ng kính trong lớ n bằng đườ ng ng kính buồng bốc Dtl = 1600 mm. Đườ ng Đườ ng ng kính trong nhỏ bằng đườ ng ng kính buồng đốt Dtn = 1400 mm. Bề dày của phần hình nón cụt (không tính gờ ) bằng vớ i bề dày buồng bốc S=7 mm. Bề dày của phần gờ nón nón cụt bằng vớ i bề dày buồng đốt S = 5 mm. Chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ ) là Hc = 200 mm. Chiều cao của phần gờ nón nón cụt là Hgc = 30 mm. Thể tích thép làm ph ần hình nón cụt:
[( [( ) ( )].H + . đ. H
Vc = .
c
gc
+ .(1,614 – 1,6 1,6 ).0,03 = 0,00145 m .
(1,62 + 1,4.1,6 + 1,42)].0.014 + = .[(1,6142 + 1,614.1,410 + 1,412) – (1,6 2
2
3
Khối lượ ng ng thép làm phần hình nón cụt: mc = ρ1.Vc = 7900.0,096 = 11,45 kg.
7.4.Đáy nón Đáy nón đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Đáy nón tiêu chuẩn có góc đáy đá y 60o, có gờ cao cao 40 mm. Dt = 1400 mm S = 5 mm Tra bảng XIII.21, trang 394, [2]: Khối lượng thép làm đáy nón: mđ = 1,01.27,5 = 27,775 kg.
⇒
7.5.Nắ 7.5.Nắp ellipse Nắp ellipse đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Nắ p ellipse tiêu chuẩn có: Dt = 1400 mm S = 7 mm,hg = 25 mm Tra bảng XIII.11, trang 384, [2] Khối lượ ng ng thép làm nắ p ellipse:
⇒
39
mn = 1,01.42,5 = 42,925 kg.
7.6.Ố 7.6.Ống truyề truyền nhiệ nhiệt và ống tuầ tuần hoàn trung tâm Ống đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Thể tích thép làm ống:
[ . ( − ) + ( − ) ] .H = . [ . ( , − , ) + (, − , ) ] = 3,14. . 1,5
Vong = VongTN + VongTH
= 0,19 m3.
Khối lượ ng ng thép làm ống: mống = ρ1.Vống = 7900.0,19 = 1501 kg
7.7.Mặ 7.7.Mặt bích Có 6 mặt bích, gồm 2 mặt nối nắ p và buồng bốc, 2 mặt nối buồng bốc và buồng đốt, 2 mặt nối buồng đốt và đáy. Các mặ t bích phía buồng đốt có vỉ ống. Mặt bích đượ c làm bằng thép CT3. ỉ ố ng: Thể tích tích thép làm 2 mặt bích không có v ỉ ố ng:
( − −. ) (, − , −. , ) V = 2.. h = 2.3,14. . 0,025 = . 1
0,015 m3.
ỉ ố ng: Thể tích tích thép làm 2 mặt bích có vỉ ố ng:
( − − . − . ) .h V = 2.. (, − , −. , − . , ) = . . 2
2.3,14 0,025 = 0,06 m3. Trong đó: D, Z, d b, h là những thông số của bích nối buồng bốc – bu buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy. – đáy. – đườ ng Dt – đườ ng kính trong của buồng đốt; m dn – đườ ng kính ngoài của ống truyền nhiệt; m – đườ ng Dnth – đườ ng kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm; m. – đườ ng Thể tích tích thép làm m ặt bích nố i nắ p và buồng bố c: c:
( − −. ) (, − , −. , ) . V = 2.. h = 2.3,14. . 0,028 3
= 0,019 m3.
Trong đó: D, Z, d b, h là những thông số của bích nối buồng bốc – bu buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy. – đáy. – đườ ng Dt – đườ ng kính trong của buồng đốt; m 40
⇒ ⇒
Tổng thể tích thép làm mặt bích: V bích = V1 + V2 + V3 = 0,015 + 0,06 + 0,019 = 0,094 m 3 Khối lượ ng ng thép làm mặt bích: m bích = ρ2.V bích = 7850.0,094 = 737,9 kg
7.8.Bu lông và ren Bu lông và ren đượ c làm bằng thép CT3. – đáy: Dùng cho bích nố i buồng bố c – bu buồng đố t và bích n ố i buồng đố t – đáy:
′
. + .(++) . .
= 2.Z Trong đó: D = 1,7.d b = 1,7.20 = 34 mm – đườ ng kính bu lông. – đườ ng H = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chi chiều cao phần bu lông không chứa lõi. chiều cao đai ố c. h’ = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chi chiều cao phần lõi bu lông. h’’ = h + 2 = 20 + 2 = 22 mm – chi h’’’ = 9 mm – mm – kích kích thướ c phần ren tr ống.
[, . , + , .,+,+,] = 0,00187 m . ′ = 2.32.3,14. 3
Dùng cho bích nố i nắ p và buồng bố c: c:
++) . + . ( ′ = Z..
Trong đó: – đườ ng D = 1,7.d b = 1,7.20 = 34 mm – đườ ng kính bu lông. H = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chi chiều cao phần bu lông không chứa lõi. chiều cao đai ố c. h’ = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chi h’’ = h + 2 = 20 + 2 = 22 mm – chi chiều cao phần lõi bu lông. h’’’ = 9 mm – kích – kích thướ c phần ren tr ống.
[, . , + , .,+,+,] = 0,000936 m . ′ = 32.3,14. 3
7.9.Đai ốc ốc Đai ốc đượ c làm bằng thép CT3. – đáy: Dùng cho bích nố i buồng bố c – bu buồng đố t và bích n ố i buồng đố t – đáy:
( − ) ′′ = 2.Z . . . H
’
Trong đó: chiều cao đai ốc. H’ = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chi dt = 1,4.d b = 1,4.20 = 28 mm – đườ ng kính trong của đai ốc. – đườ ng dn = 1,15.dt = 1,15.28 = 32,2 mm – đườ ng kính ngoài của đai ốc. – đườ ng 41
(, − , ′′ = 2.32.3,14. ) . 0,016 = 0,0002 m . 3
Dùng cho bích nố i nắ p và buồng bố c:
( − ) ′′ = 2.Z.. . H
’
Trong đó: H’ = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc. dt = 1,4.d b = 1,4.20 = 28 mm – đườ ng kính trong của đai ốc. dn = 1,15.dt = 1,15.28 = 32,2 mm – đườ ng kính ngoài của đai ốc.
⇒ ⇒
(, − , ′′ = 32.3,14. ) . 0,016 = 0,000076 m . 3
Tổng thể tích thép làm bu lông, ren và đai ố c: V V 1' V 2' V 1'' V 2'' 0,00187 0,000936 0,0002 0,000076 0,003082 m3 Khối lượng thép làm bu lông, ren và đai ố c: m bu lông + mđai ốc = ρ2.ΣV = 7850.0,003082 = 24,19 kg
7.10. Vỉ ống Đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Thể tích thép làm v ỉ ống:
( − . − . ).
Vvi = 2. S Trong đó: Dt = 1400 mm – đườ ng kính trong của buồng đốt. dn = 29 mm – đườ ng kính ngoài của ống truyền nhiệt. Dnth = 458 mm – đườ ng kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm. S = 30 mm – chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống.
(, −. , − , ) . = 2..
0,03 = 0,053 m3. Khối lượ ng thép làm vỉ ống: mvỉ = ρ1.Vvỉ = 7900.0,053 = 418,7 kg Vvi
Chi tiết Buồng đốt Buồng bốc Phần hình nón cụt Đáy nón Nắ p ellipse ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm
Loại thép OX18H10T OX18H10T OX18H10T OX18H10T OX18H10T OX18H10T
Khối lượ ng (kg) 260,7 387,1 11,45 27,775 42,925 1501 42
Mặt bích Bu lông Ren Đai ốc Vỉ ống
CT3 CT3
773,9 24,19
OX18H10T
418,7 3447,74
Tổng Thể tích dung dịch trong thiết bị: Vdd = Vc + Vống TH +Vống TN +Vđ Trong đó :
+ + đ đ đ . V =. , +, . , +, , 1,4 . = 3,14. Hc + .
c
. Hgc
0,014 +
.
. 0,03 = 0,0709 m3.
Vớ i: D b – đườ ng kính trong của buồng bốc; m Dđ – đườ ng kính trong của buồng đốt; m Hc – chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ ); m Hgc – chiều cao của gờ nón cụt; m VốngTH – thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm; m3 VốngTN – thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt; m3 VốngTH + VốngTN = 0,79 m3 Vđ – thể tích dung dịch trong đáy nón; m3 Vđ = 0,071 m3 Vdd = 0,0709 + 0,79 + 0,071 = 0,931 m3 Khối lượ ng cần tăng cứng cho các bộ phận: mddmax = ρddmax.Vdd = 1072,5.0,931 = 998,1 kg Tổng tải tr ọng của thiết bị: M = mtb + mddmax = 3447,74 + 998,1 = 4445,84 kg
⇒ ⇒
Chọn 4 tai treo thẳng đứng, đượ c làm bằng thép CT3. Tr ọng lượ ng trên mỗi tai treo:
. ,.,
≈
= G= = 10903,42 N 1,09.104 N. Các thông số của tai treo đượ c chọn từ bảng XIII.36, trang 438, [2]:
G.10-4 N/mm2 1
F.10-4 q.10-6 m2 N/m2 89,5 1,12
L
B
110
85
B1
H
S mm 90 170 8
l
a
d
45
15
20
mt Kg 2
Trong đó: G – tải tr ọng cho phép trên một tai treo; N F – bề mặt đỡ ; N q – tải tr ọng cho phép trên bề mặt đỡ ; N/m2 mt – khối lượ ng 1 tai treo; kg 43
PHẦN IV. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT - Chọn thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ố ng. - Dòng nhậ p liệu (dòng lạnh): t 1' = 30 oC t 1" = 139 oC
⇒ − = +
= 84,5 oC. -Dòng hơi đốt (dòng nóng): =
′ ′′
= 132,9 oC.
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 h0 = 1 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiế t trên bề mặt đứng. Công thức (V.101), trang 28, [4] đượ c áp dụng:
, α = 2,04.A..∆ 1
Trong đó: α1 – hệ số cấ p nhiệt phía hơi ngưng; W/(m 2.K). r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nướ c bão hoà ở áp suất 3 at (2171 kJ/kg). H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1 m). A - hệ số, đối với nướ c thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tw. = : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt tườ ng tiế p xúc với hơi ngưng, oC
∆ tw =
+
,+ ,
Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là = 130,5 0C.
tw =
Tra A ở [2], trang 28: tw (oC) 0 A 104 A = 191,33
⇒ ∆ ⇒
20 120
= 131,1 0C.
40 139
60 155
80 169
100 179
120 188
140 194
160 197
180 199
= 132,9 – 130,5 =2,4 0C.
, .,
α1=2,04.191,33
= 12037,197 W/(m2.K)
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
∆
q1=α1.
= 12037,197.2,4 = 28889,27 W/m2. 44
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi Chất lỏng sôi nhẹ và chuyển động cưỡ ng bức nên hệ số cấ p nhiệt này đượ c tính theo các công thức của đối lưu cưỡ ng bức. chọn tv2 = 110 oC.
+ ,+
tw = = 120,25 oC. = Các thông số hoá lý của dung dịch NaOH 12% ở tw và t :
≈
Thông số
tw 1200 C
; W/(m.K) ; kg/m3 c ; J/(kg.K) ; N.s/m2
0,584 1070,2 3688 0,000696
− = 84,5 C o
0,578 1096,05 3833 0,0008012
Trong đó: λ – hệ số dẫn nhiệt; W/(m.K): tra bảng I.130, trang 135, [1] ρ – khối lượ ng 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] Chuẩ n số Prandtl:
. = ,. , ,. Pr = = , Pr =
= 5,313
w
= 4,39
Chọn tốc độ của dung dịch NaOH 12 % trong ống truyền nhiệt là v = 1 m/s. Đườ ng kính trong của ống truyền nhiệt là d = 25 mm. Chuẩ n số Reynolds: Re =
⇒
.. = .,,. , =
>
34200,26 10000
Áp dụng công thức tính hệ số cấ p nhiệt khi dòng chảy r ối trong ống (Re > 10000): Nu
, , , = 0,021. . . .
Chọn l = 1m
⇒
⇒
=
= 40 ⇒
= 1,02
, , , , = 0,021.1,02.34200,26 . 5,313 . ,
Nu
= 195,28.
45
. ,,., =
=
tv2 = 110 oC.
⇒ ∆ q2= α2.
⇒ ∆
= 4514,87 W/(m2.K)
= t c - tv2 = 116,95 – 110 = 5,95 oC.
= 4514,87.5,95 = 26863,4765 W/m2)
3. Nhiệt tải riêng phía tườ ng Công thức tính:
qv =
∆∑ (W/m ). 2
Trong đó: Σr v – tổng tr ở vách ( m 2.K/W). + 0,387.10-3 = 0,9159.10-3( m2.K/W). Σr v = r 1 + + r 2 = 0,3448.10-3 + Vớ i: r 1= 0.3448.10-3 (m2.K/W) – nhiệt tr ở phía hơi nướ c do vách ngoài c ủa ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]). r 2 = 0,387.10-3 (m2.K/W) – nhiệt tr ở phía dung dịch do vách trong của ống có lớ p cặn bẩn dày 0,5 mm (b ảng V.1, trang 4, [2]). δ = 3 mm = 0,003 m – bề dày ống truyền nhiệt. λ = 16,3 W/(m.K) – h ệ s ố d ẫn nhiệt c ủa ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] vớ i ống đượ c làm bằng thép không gỉ OX18H10T). Δtv = tv1 - tv2 ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tườ ng.Với quá trình cô đặ c chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2. Δtv = qv.Σr v = 28889,197.0,9159.10-3 = 26,5 oC. Sai số tương đối của q2 so vớ i q1:
,,
⇒ = | |
. 100% =
,, −, .
100 = - 7,014 %
< 5% nên sai s ố đượ c chấ p nhận (các thông số đã chọn phù hợ p).
Nhiệt tải riêng trung bình: qtb =
+ = ,+, =
27876,70 W/m2.
4. Cân bằng năng lượ ng 4.1.Cân bằng nhiệt lượ ng Dòng nhiệt vào (W): Do dung dịch ở 30oC Do hơi đốt Do hơi ngưng trong đườ ng ống dẫn hơi đốt Dòng nhiệt ra (W): Do dung dịch ra ở 139oC Do nước ngưng Nhiệt tổn thất 4.2. Phương trình cân bằng nhiệt.
′
Gđcđ
′′
+ D.i” D + φDctD = Gccc
′′′ ′′
G đ cđ D. φDctD Gccc D.c Qtt
+ D.cθ + Qtt 46
Có thể bỏ qua nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đườ ng ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDctD = 0. Trong hơi nướ c bão hoà, bao gi ờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi). Nhiệt lượng do hơi nướ c bão hoà cung cấ p là D(1 - φ)( i”D - cθ) (W) Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì ( i”D - cθ) = r D = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt). D(1 - φ)( i”D - cθ) + Gđcđ = Gccc + Qtt Thay Qtt = εQD = 0,05QD và Gđ =Gc =G QD = D(1 - ε)(1 - φ)( i”D - cθ) = G(cc )
⇒
⇒ ⇒ ⇒ D
′ ′′ ′′ đ′
Lượng hơi đốt biểu kiến:
, . , − . − đ = − = ε− φ −,−..
= 0,1299 (kg/s).
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấ p: QD = D(1 - ε)(1 – φ).r D =0,1299.(1 – 0,05).(1-0,05).2171000 = 254516,64 (W) Diện tích bề mặt truyền nhiệt : F =
= , , =
9,13 m2
Số ống truyền nhiệt đượ c tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]: n=
..
Trong đó : F = 9,13 – diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2). l = 1 m – chiều dài của ống truyền nhiệt d – đườ ng kính của ống truyền nhiệt. Ta chọn d = d t = 30 mm. Số ống truyền nhiệt là:
n=
, ,.,. = 96,92
Theo bảng V.11, trang 48, [2], ch ọn số ống n = 91 và bố trí ống theo hình lục giác đều. Đườ ng kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt đượ c tính theo công thức V.140, trang 49, [2]: D = t.(b-1) + 4.dn Trong đó: dn = dt + 2S = 0,03 + 2.0,003 = 0,036 m – đườ ng kính ngoài của ống truyền nhiệt t = β.dn = 1,4.0.031 = 0,0434 m – bướ c ống 47
b =
. 1 1 . 911 1 =
= 11
( b - số ống trên đườ ng xuyên tâm của lục giác). D = 0,0434.(11-1) + 4.0,036= 0,578 m.
⇒
Thể tích bình gia nhiệt:
V = . .l = 3,14.
,.1 = 0,2622 m . 3
Dung dịch chảy chậm trong ống nên thờ i gian truyền nhiệt lớ n, chọn số pass phía vỏ m = 1.
Thông số
Ký hiệu DUNG DỊCH NaOH G xđ
Suất lượ ng Nồng độ Nhiệt độ đầu vào Nhiệt độ đầu ra Nhiệt dung riêng đầu vào Nhiệt dung riêng đầu ra
′′′
cđ cc HƠI ĐỐT Áp suất pD Nhiệt độ tD ẩn nhiệt ngưng tụ r D Chiều cao thiết bị gia nhiệt H dt Đườ ng kính trong ống truyền nhiệt Đườ ng kính ngoài ống truyền nhiệt dn Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấ p QD D Lượng hơi đốt biểu kiến
Đơn vị
Giá trị
Kg/h %wt oC oC J/(kg.K) J/(kg.K)
2252,6 12 30 141,534 3671 3752
at oC kJ/kg m m m W Kg/s
3 132,9 2171 1 0,03 0,036 254516,64 0,1299
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 1. Chọn thiết bị ngưng tụ - Lượ ng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm: Hơi nướ c (chủ yếu) Dung môi dễ bay hơi Khí không ngưng - Khí bổ sung cần đượ c giải phóng để tạo chân không. Thiết bị ngưng tụ đượ c k ết hợ p với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất. - Ch ọn thiết b ị ngưng tụ tr ực tiế p loại khô, ngượ c chiều, chân cao (baromet). Trong đó,nướ c làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phận tách lỏng. - Chiều cao của ống baromet đượ c chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thuỷ tĩnh bằng vớ i áp suất khí quyển. 48
2. Tính thiết bị ngưng tụ - Theo bảng VII.1, trang 97, [2]: nhi ệt độ không khí trung bình ở TPHCM là t = 27,2 0C độ ẩm tương đối là φ = 77 %. Theo giản đồ h – x của không khí ẩm,h = 72,5 kJ/kg không khí ẩm. - Nhiệt độ bầu ướt đượ c chọn là tư = 23 oC. Nhiệt độ đầu của nướ c lạnh đượ c chọn là t2d = 23 + 3 = 26 oC. - Vớ i pc = 1 at và tc = 85,5 oC: Nhiệt độ cuối của nướ c lạnh đượ c chọn là t2c = tc – 10 = 99 – 10 = 89 oC. - Đối vớ i thiết bị ngưng tụ tr ực tiếp, lượ ng không khí cần hút đượ c tính theo công thứcVI.47, trang 84, [2]: Gkk = 0,000025.W + 0,000025.Gn + 0,01.W; kg/s Trong đó: Gn – lượng nước được tướ i vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, đượ c tính theo công thức VI.51, trang 84, [2]:
. − = − đ
Vớ i: W = 1689,45 kg/h – lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ. i = 2677 kJ/kg – nhiệt lượ ng riêng của hơi nướ c. (bảng I.251,trang314,[1]) cn = 4180 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình của nướ c.
, . −. ⇒ G = .− = 4,107 kg/s n
⇒G
kk =
0,000025.
,
+ 0,000025,4,107 + 0,01.
, =
0,004807 kg/s.
- Đối vớ i thiệt bị ngưng tụ tr ực tiế p loại khô, nhiệt độ không khí đượ c tính theo công thức VI.50, trang 84, [2]: tkk = t2d + 4 + 0,1.(t2c – t2d) = 26 + 4 + 0,1.(89 – 26) = 36,3 oC ph = 0,057 at (tra giản đồ h – x của không khí ẩm) -Thể tích không khí cần hút đượ c tính theo công thức VI.49, trang 84, [ 2]:
⇒
Vkk =
.Gkk.−273 = .,. +, = −,.,.
0,004628 m3/s.
Kích thướ c chủ yế u của thiế t bị ngưng tụ: - Thông thường, năng suất tính toán đượ c chọn lớn hơn 1,5 lần so với năng suất thực tế. Khi đó, đườ ng kính trong của thiết bị đượ c tính theo công thức VI.52, trang 84, [2]:
= 1,383.
Trong đó: ρh = 0,579 kg/m3 – khối lượ ng riêng của hơi thứ ở 1 at 49
(tra bảng I.251, trang 314, [1]). ωh = 20 m/s – tốc độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ (chọn)
⇒
= 1,383.
, ,. = 0,2784 m.
Chọn = 0,25 m = 250mm. -Kích thước cơ bả n của thiết bị ngưng tụ baromet đượ c chọn theo bảng VI.8, trang 88, [2]:
K ích thướ c Đườ ng kính trong của thiết bị Chiều dày của thành thiết bị Khoảng cách từ ngăn trên cùng đế n nắ p thiết bị Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến nắ p thiết bị Bề r ộng của tấm ngăn Khoảng cách từ giữa tâm thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi Chiều cao của hệ thống thiết bị Đườ ng kính của thiết bị thu hồi Chiều cao của thiết bị thu hồi Đườ ng kính của thiết bị thu hồi Đườ ng kính các cửa ra và vào Nướ c vào Hỗn hợp khí và hơi vào Nối vớ i ống baromet Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet ống thông thiết bị
Ký hiệu Dtr S ao an b K 1
Giá trị;mm 250 2 1000 900 675
K 2 T D1 h1 D2 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8
1300 150 1440 300 100 80 125 80 50 50
-Kích thướ c tấm ngăn: Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt. Chiều r ộng của tấm ngăn được xác định theo công thức VI.53, trang 85, [2]: b =
+ 50 = 125 + 50 =175mm.
Có nhiều lỗ nhỏ được đục trên tấm ngăn, nướ c làm nguội là nướ c sạch nên đườ ng kính lỗ đượ c chọn là d = 2 mm. - Lưu lượ ng thể tích của nướ c lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ: Nhiệt độ trung bình của nướ c:
ttb =
− đ = +
= 57,5 oC. 50
⇒ ⇒ V ,,
ρn = 984,4 kg/m3 (bảng I.249, trang 310, [1]) n =
=
= 0,004172 m3/s.
Chọn chiều cao gờ tấm ngăn là h = 40 mm, chiề u dày tấm ngăn là δ = 4 mm, tốc độ của tia nước là ωc = 2,62 m/s. Tổng diện tích bề mặt của các l ỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên mộ t cặ p tấm ngăn là: f =
= ,, =
1,56 m2.
Chọn tỷ số giữa tổng số diện tích tiết diện các lỗ vớ i diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ là 0,1 . Các lỗ đượ c x ế p theo hình lục giác đều. Bướ c c ủa các l ỗ đượ c xác định bằng công thức VI.55, trang 85, [2]:
ff tb
f.f tb , = −− − − = 0,863 P = đ = t = 0,866
≈
0,866.2.0,10,5= 0,000548 m 0,00055m = 0,55mm
Mức độ đun nóng nướ c:
đ
Tra bảng VI.7, trang 86, [2] v ớ i d = 2 mm và P = 0,774: Số ngăn n = 4 Số bậc n = 2 Khoảng cách giữa các ngăn h = 300 mm Thờ i gian rơi qua một bậc τ = 0,35 s Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dướ i lên thì thể tích của nó giảm dần. Do đó, khoảng cách hợ p lý nhất giữa các ngăn cũng nên giả m dần theo hướ ng từ dướ i lên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn. Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 300 mm. Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắ p thiết bị là 1000 mm. Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị là 900 mm. Chiều cao phần gờ của nắ p là 100 mm. Chiều cao phần nắ p ellipse là 200 mm. Chiều cao phần đáy nón là 125 mm. Chiều cao của thiết bị ngưng tụ: H = 200+ 100 + 1000 + 300.4 + 900 + 125 = 3525 mm Kích thướ c ố ng baromet: - Chọn đườ ng kính trong của ống baromet là d = 100 mm = 0,1 m. - Tốc độ của nướ c lạnh và nước ngưng tụ chảy trong ống baromet đượ c tính theo công thức VI.57, trang 86, [2]:
⇒
51
d=
,..+ ⇒
=
,.. + ,.,,.+, ,. =
= 0,06 m/s.
-Chiều cao ống baromet đượ c tính theo công thức II-15, trang 102, [4]: H’ = h1 + h2 + h3 + h4; m Chiề u cao cột nướ c trong ố ng baromet cân bằ ng vớ i hiệu số giữ a áp suấ t khí quyể n và áp suấ t trong thiế t bị ngưng tụ h1 đượ c tính theo công thức VI.59, trang 86, [2]: h1 = 10,33. ; m. trong đó : b- độ chân không trong thiết bị ngưng tụ ; mmHg b = 1at = 735,5 mmHg. h1 = 10,33. 10 m.
⇒
, ≈
Chiề u cao cột nướ c trong ố ng baromet cần để khắ c phục toàn bộ tr ở l ực chả y trong ố ng h2 đượ c tính theo công thức VI.60, trang87, [2]:
∑ h = . λ. 2
(1+
) ; m.
chọn hệ số tr ở lực khi vào ống = 0,5 và khi ra ống = 1
⇒∑
khi nướ c
Nướ c lạnh và nước ngưng tụ có : ttb = 57,75 oC. ρn = 984,4 kg/m3 μn = 0,000489 Ns/m2
. . , . , . , = ⇒ , = Re =
>
100654,4 10000 (chế độ chảy r ối).
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh đượ c tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
⇒
, Re = 6. = 6. , = 7289,343 đượ c tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 87 , = 220. = 220. , = 239201,5 gh
Ren Ren
⇒⇒
Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).
Hệ số ma sát λ đượ c tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
, = 0,1.1,46. = 0,1. 1,46. ,, , ,
= 0,025 52
⇒h
2 =
,., 2,5 0,025 . ,
’
= 0,00546 + 0,00055 .H ; m
.
Chọn chiều cao dự tr ữ h3 = 0,5 m để đề ngăn ngừa nướ c dâng lên trong ống và chảy tràn vào đườ ng ống dẫn hơi khi áp suất khí quyển tăng. Chọn chiều cao của đoạn ống baromet ngậ p trong bể nướ c là h4 = 0,5 m. H’ = 10 + 0,00546 + 0,00055.H’ + 0,5 + 0,5 H’ = 11,0104 m Chọn chiều cao ống baromet là H’ = 11 m.
⇒⇒
Thông số
Ký hiệu
Đơn vị
Giá trị
tc pc
oC
99 1
HƠI VÀO Nhiệt độ Enthalpy
at
NƯỚ C LÀM NGUỘI
oC Nhiệt độ đầu vào t2đ oC Nhiệt độ đầu ra t2c Nhiệt dung riêng cn J/(kg.K) Lưu lượ ng khối lượng nướ c lạnh cần thiết nt Gn Kg/s Lưu lượ ng thể tích nướ c lạnh cần ngưng tụ Vn m3/s Áp suất hơi bão hòa ph At KHÔNG KHÍ NGƯNG Lưu lượ ng khối lượ ng kk dc hút ra thi ết bị Gkk Kg/s Vkk m3/s Lưu lượ ng thể tích không khí dc hút ra thiếtbị oC Nhiệt độ tkk ĐƯỜNG KÍNH TRONG T/B NGƯNG TỤ Tốc độ của hơi thứ m/s Dtr mm Đườ ng kính trong KÍCH THƯỚ C TẤM NGĂN Chiều r ộng tấm ngăn b mm d mm Đườ ng kính lỗ trên tấm ngăn Bề dày tấm ngăn mm t mm Bướ c lỗ CHIỀU CAO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Mức độ đun nóng nướ c P Số ngăn z Cái Chiều cao H mm KÍCH THƯỚ C ỐNG BAROMET Tốc độ nướ c lạnh và nc ngưng chả y trong ống m/s d mm Đườ ng kính trong của ống Độ chân không b mmHg Chiều cao cột nướ c cân bằng h1 m Hệ số tr ở lực vào Hệ số tr ở lực ra Khối lượ ng riêng của nướ c lạnh và nướ cngưg Kg/m3 Ns/m2 Độ nhớt động lực
26 89 4180 4,107 0,004807 3 0,004172 0,004628 36,3
2 4
175 2 4 0,55
0,863 4 3450 0,06 100 735,5 11 0,5 1 984,4 0,000489 53
Chuẩn số Reynolds Hệ số ma sát Chiều cao
Re
H’
m
100654,3 0,025 11
III. BỒN CAO VỊ - Bồn cao vị được dùng để ổn định lưu lượ ng của dung dịch nhậ p liệu. Bồn được đặt ở độ cao phù hợ p nhằm thắng đượ c các tr ở lực của đườ ng ống và cao hơn so vớ i mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc. - Áp dụng phương trình Bernoulli vớ i 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và 2 – 2 (mặt thoáng của nồi cô đặc):
. . + + = + + + ℎ−
Trong đó: v1 = v2 = 0 m/s p1 = 1 at p2 = p0 = 1,033 at ρ = 1096,05 kg/m 3 – khối lượ ng riêng của dung dịch NaOH 12 % ở ttb = 84,5 oC(bảng 4, trang 11, [8]) μ = 0,008102 Ns/m2 – độ nhớt động lực của dung dịch NaOH 12% ở ttb (bảng I.107,trang 100, [1]) z2 - khoảng cách từ mặt thoáng của dd trong nồi cô đặc đến mặt đất; m z2 = z’ + Hđ + H bđ + Hgc + Hc = 1 + 1,3 + 2 + 0,03 + 0,1 = 4,43 m. Vớ i: z’ = 1 m – khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất. Hđ = 1,296 + 0,04 = 1,3 m – chiều cao của đáy nón H bđ = 2 m – chiều cao của buồng đốt. Hgc = 0,03 m – chiều cao của gờ nón cụt. Hc = 0,1 m – chiều cao của phần hình nón cụt. Đườ ng kính ống nhậ p liệu là d = 20 mm = 0,02 m. Chọn chiều dài đườ ng ống từ bồn cao vị đến buồng bốc là l = 20 m. Tốc độ của dung dịch ở trong ống:
v=
đ . .
=
., ,., .,
Chuẩn số reynolds:
,., ⇒ .. ,., Re =
=
= 0,8846 m/s.
≥
= 119669,93 4000
(chế độ chảy r ối). Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm.
⇒
Regh đượ c tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: 54
Regh
, = 6. = 6. , = 1158,419
Ren đượ c tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
Ren
⇒ ⇒
, = 220. = 220. , = 39122,15
Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).
Hệ số ma sát λ đượ c tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
, , , = =0,021 0,1.1,46. = 0,1. 1,46. , , Các hệ số tr ở l ự c cục bộ:
Yếu tố gây trở lự c Đầu vào Đầu ra Khuỷu 90o Van cửa
⇒⇒ ∑
Ký hiệu vào ra khuỷu90 van
Hệ số trở lự c cục bộ 0,5 1 1 1,5
Số lượ ng 1 1 6 2
= 10,5.
Tổng tổn thất trên đườ ng ống:
. ∑ = ,., 0,021. , ⇒ = + − + ℎ −, .−,, = 3,794 + ,., +
10,5
.( .( + ) + ) = 1,256m. khoảng cách từ mặ thoáng của bồn cao vị đến mặt đất:
h1-2 =
1,256 = 4,74m
⇒
Dung dịch NaOH 12 % luôn tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc của nồi cô đặc khi bồn có độ cao từ 4,74 m tr ở lên. Chọn khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là 5 m.
IV. BƠM 1.Bơm tháo liệu - Công suất của bơm: N = ;kw Trong đó:
.. ρ ..ηH
55
H – cột áp của bơm; m η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75. ρ = 1446,96 kg/m3 – khối lượ ng riêng của dung dịch
ở 134,654 oC
(tra bảng 4,trang11,[8]). Q – lưu lượ ng thể tích của nướ c lạnh được tướ i vào thiết bị ngưng tụ; m3/s.
Q=
ρ = ,,. = 0,000108 m /s. 3
- Áp dụng phương trình Bernoulli vớ i 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và 2 – 2 (mặt thoáng của nồi cô đặc):
. . + + = + + + ℎ− Trong đó: v1 = vhút = v; m/s V2 = 0
∆ ,...đ
p2 = po + 2 p1 = 1 at
+
= 1,033+0,0336+
,,..,., =
1,150 at
μ = 0,000245 Ns/m2 – độ nhớt động lực của nướ c ở 134,654 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) z1 = 1 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất. z2 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất. Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đườ ng ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là l = 5 m. Tốc độ của dòng chảy trong ống:
⇒
= ,,. = 0,344 m/s. . , . Chuẩn số reynolds: v=
., ⇒ .. ,.,, Re =
=
≥
= 92176,71 4000
(chế độ chảy r ối). Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm.
⇒
Regh đượ c tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
, Re = 6. = 6. , = 1158,419 đượ c tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: gh
Ren
56
Ren
⇒
, = 220. = 220. , = 39122,15
Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).
⇒
Hệ số ma sát λ đượ c tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
, , , = 0,1.1,46. = 0,1. 1,46. , 92176,71
= 0,062
Các hệ số tr ở l ự c cục bộ:
Yếu tố gây trở lự c Đầu vào Đầu ra Khuỷu 90o Van cửa
⇒⇒ ∑
Ký hiệu
Hệ số trở lự c cục bộ 0,5 1 1 1,5
vào ra khuỷu90 van
Số lượ ng 1 1 4 2
= 8,5.
Tổng tổn thất trên đườ ng ống:
, ∑ = ., .( 0,062. , +8,5) = ⇒ , −. , . − = (z – z ) + + 2 -1 ,., h1-2 =
. .(
0,145 m.
+ )
Cột áp của bơm:
H
2
h1-2 -
1
=(
)+
= 2,17 m.
,,.,., ⇒ ,.. N =
+ 0,145 -
,.,
= 0,0044 kw.
2.Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị - Công suất của bơm: N = ;kw Trong đó: H – cột áp của bơm; m η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75. ρ = 1126,3 kg/m3 – khối lượ ng riêng của dung dịch ở 30 oC (tra bảng 4,trang 11,[8]). Q – lưu lượ ng thể tích của nướ c lạnh được tướ i vào thiết bị ngưng tụ; m3/s.
.. ρ ..ηH
Q=
ρ = ,,. = 0
,000278 m3/s.
57
- Áp dụng phương trình Bernoulli vớ i 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và 2 – 2 (mặt thoáng của nồi cô đặc):
. . + + = + + + ℎ−
Trong đó: v1 = v2 = 0 m/s p1 = 1 at p2 = 1 at μ = 0,000182 Ns/m2 – độ nhớt động lực của nướ c ở 30 oC (bảng I.249, trang 310, [1]) z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất. z2 = 3,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất. Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m v1 = v2 = v Chọn chiều dài đườ ng ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là l = 7 m. Tốc độ của dòng chảy trong ống:
⇒
v=
= ,,. . ., = 0,885 m/s.
Chuẩn số reynolds:
,., ⇒ .. ,., ⇒ Re =
=
≥
= 109535,77 4000
(chế độ chảy r ối).
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh đượ c tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Regh
= 6. = 6.
,,
= 1158,419
Ren đượ c tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
Ren
⇒ ⇒
, = 220. = 220. , = 39122,15
Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).
Hệ số ma sát λ đượ c tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
, , , = 0,1.1,46. = 0,1. 1,46. , 109535,77 = 0,0015 58
Các hệ số tr ở l ự c cục bộ:
Yếu tố gây trở lự c Đầu vào Đầu ra Khuỷu 90o Van cửa = 7,5.
⇒∑ ⇒
Ký hiệu vào ra khuỷu90 van
Hệ số trở lự c cục bộ 0,5 1 1 1,5
Số lượ ng 1 1 3 2
Tổng tổn thất trên đườ ng ống:
h1-2 =
. .(
∑
+ )
, .( = 0 , 0 015. , +7,5) = 0,32 m. .,
⇒ − , . , . , . , ⇒ ., Cột áp của bơm:
H = (z2 – z1) +
+ h1-2 = (3,5 -2) + 0,32= 1,82m.
N =
= 0,0075 kw.
Chọn bơm ly tâm 1 cấ p nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K.
V. CÁC THIẾT BỊ PHỤ 1. Cử a sử a chữ a Vật liệu chế tạo là thép CT3. Đườ ng kính của cửa sửa chữa là D = 500 mm. Cửa đượ c bố trí sao cho mép dướ i của nó cao hơn mặ t thoáng của dung dịch trong buồng bốc để chất lỏng không chảy ra ngoài. Chọn khoảng cách từ mép dướ i cửa đến mặt thoáng của dung dịch là 0,45 m. Khoảng cách từ mực chất lỏng đến tâm của cửa sửa chữa:
⇒
h = 0,45 + 2 . Kính quan sát
, =0,7m.
Vật liệu chế tạo là thép CT3. Đườ ng kính quan sát là D = 230mm. Kính đượ c bố trí sao cho mực chất lỏng có thể đượ c nhìn thấy. Do đó, có 2 kính giống nhau ở 2 bên buồng bốc, tạo thành 180o.
59
K ẾT LUẬN
Các phần tính toán cho thấy : - Hệ thống cô đặc một nồi liên tục dung dịch NaOH với năng suất nhậ p liệu là 2000 kg/h khá đơn giản. Vì năng suất này không cao nên kích thướ c này của các thiết bị đều ở mức độ vừa phải. - K ết cấu thiết bị đơn giản. Vì vậy nhìn chung hệ thống này phù hợ p vớ i quy mô vừa và nhỏ.
60
