TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH CaCl2

Tổng quan

Giới thiệu chung về nguyên liệu CaCl2

Canxi clorua (CaCl2) là một hợp chất ion bao gồm canxi, một kim loại kiềm thổ, và clo Hợp chất này tồn tại dưới dạng dung dịch không màu, không mùi và không độc, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực khác nhau trên toàn cầu.

Canxi clorua (CaCl2) ở dạng lỏng là một giải pháp hút ẩm cao, hòa tan và tỏa nhiệt, có khả năng hấp thụ độ ẩm từ môi trường xung quanh, ngăn chặn sự bốc hơi và phát nhiệt trong các phản ứng hóa học Những đặc tính này khiến nó trở thành chất lý tưởng cho việc xây dựng và bảo trì đường bộ, bao gồm ứng dụng trong kiểm soát băng, kiểm soát bụi và ổn định nền đường.

•Cơ sở ổn định cho xây dựng đường

•Freeze-hiê ̣u đinh cát để áp dụng đường mùa đông

•Nước thải tinh chế viện trợ, flocculent, bãi bỏ các phốt phát và fluorides

• Bơm vữa đại lý cho các mỏ và giếng dầu

• Môi trường phụ gia cho xi măng lò nung

• Nitơ ức chế cho các nhà máy phân bón

•Muối thay thế trong thức ăn động vật (như là một bổ sung cho thiếu hụt canxi)

• Phân bón hữu cơ canxi

•Điều chỉnh độ pH đất

•Chất chống đông cho xe vui chơi giải trí, quăn & rinks trượt băng và nhiều hơn nữa

Định nghĩa cô đặc

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm

Quá trình cô đặc dung dịch lỏng – rắn hoặc lỏng – lỏng với chênh lệch nhiệt độ sôi cao thường liên quan đến việc tách một phần dung môi dễ bay hơi hơn Các phương pháp này bao gồm sử dụng nhiệt độ cao (đun nóng) hoặc làm lạnh kết tinh, tùy thuộc vào tính chất của cấu tử khó bay hơi.

Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt, hay còn gọi là đun nóng, là quá trình mà dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó đạt bằng áp suất tác động lên mặt thoáng của chất lỏng.

Phương pháp lạnh là quá trình hạ thấp nhiệt độ để tách một cấu tử dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường áp dụng cho kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Nhiệt độ kết tinh phụ thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài, có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, đôi khi cần sử dụng máy lạnh để hỗ trợ.

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Để tạo ra hơi từ chất lỏng, tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử phải vượt quá tốc độ giới hạn Khi phân tử bay hơi, chúng hấp thụ nhiệt để vượt qua lực liên kết trong trạng thái lỏng cũng như các trở lực bên ngoài Vì vậy, cần cung cấp nhiệt để các phân tử có đủ năng lượng thực hiện quá trình bay hơi này.

Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu xảy ra do bọt khí hình thành khi cung cấp nhiệt và chuyển động liên tục, cùng với sự chênh lệch khối lượng riêng giữa các phần tử trên bề mặt và dưới đáy, tạo ra tuần hoàn tự nhiên trong nồi Việc tách không khí và lắng keo (protit) sẽ giúp ngăn chặn hiện tượng tạo bọt trong quá trình cô đặc.

Ứng dụng của sự cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, việc cô đặc các dung dịch như đường, mì chính và nước trái cây là rất cần thiết Tương tự, trong ngành hóa chất, quá trình cô đặc các dung dịch như NaOH, NaCl, CaCl2 và các muối vô cơ cũng đóng vai trò quan trọng.

Hiện nay, hầu hết các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc để đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn, cho thấy tầm quan trọng của quá trình này trong hoạt động của nhà máy Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là điều cần thiết, đòi hỏi sử dụng các thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.

Phân loại và ứng dụng

Nhóm 1 bao gồm dung dịch đối lưu tự nhiên, hay còn gọi là tuần hoàn tự nhiên, với thiết bị cô đặc có khả năng xử lý dung dịch loãng và độ nhớt thấp Điều này giúp đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.

Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2 bao gồm dung dịch đối lưu cưỡng bức, hay còn gọi là tuần hoàn cưỡng bức, sử dụng bơm để tạo ra vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm nổi bật của thiết bị cô đặc này là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, khả năng xử lý các dung dịch đặc sệt và độ nhớt cao, đồng thời giảm thiểu hiện tượng bám cặn và kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Thiết bị này bao gồm buồng đốt trong và ống tuần hoàn ngoài.

Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.

Nhóm 3 bao gồm dung dịch chảy thành màng mỏng, với thiết bị cô đặc cho phép dung dịch này chảy qua bề mặt truyền nhiệt một lần, nhằm tránh tác động nhiệt độ lâu dài làm biến chất các thành phần Phương pháp này đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây và hoa quả ép.

Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.

Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.

Theo phương thức thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) duy trì nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được sử dụng trong quá trình cô đặc dung dịch liên tục Phương pháp này giúp giữ mức dung dịch ổn định, từ đó đạt được năng suất tối đa và rút ngắn thời gian cô đặc hiệu quả.

Cô đặc áp suất chân không là phương pháp hiệu quả để xử lý dung dịch có nhiệt độ sôi thấp, giúp duy trì nhiệt độ thấp trong quá trình cô đặc Phương pháp này cho phép dung dịch tuần hoàn tốt, giảm thiểu cặn bã và đảm bảo sự bay hơi của dung môi diễn ra liên tục, mang lại hiệu quả cao trong việc tách chiết và bảo tồn chất lượng sản phẩm.

Cô đặc nhiều nồi nhằm tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên quá lớn để tránh giảm hiệu quả tiết kiệm Có thể áp dụng phương pháp cô chân không, cô áp lực hoặc kết hợp cả hai Đặc biệt, việc sử dụng hơi thứ cho các mục đích khác cũng giúp nâng cao hiệu quả kinh tế.

Cô đặc liên tục mang lại hiệu quả vượt trội so với cô đặc gián đoạn và có thể được điều khiển tự động, mặc dù hiện tại chưa có cảm biến đủ độ tin cậy Mỗi nhóm thiết bị có thể được thiết kế với buồng đốt trong hoặc ngoài, kèm theo hoặc không kèm theo ống tuần hoàn Tùy thuộc vào điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, phương pháp cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.

Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

 Ống nhập liệu, ống tháo liệu

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

 Thiết bị ngưng tụ baromet

 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

Sơ đồ PFD

Sơ đồ hệ thống cô đặc 1 nồi CaCl2

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC

THỰC HÀNH TÍNH TOÁN HÊ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHÊ HÓA

Bản vẽ PFD quá trình cô đặc dung dịch CaCl2 với năng suất theo nhập liệu 2400kg/h

V-103 Bồn chứa hơi ngưng tụ

E-102 Thiết bị ngưng tụ baromet

E-103 thiết bị làm nguội sản phẩm

P-101 A/B Bơm nhập liệu vào thiết bị gia nhiệt

P-102 A/B Bơm sản phẩm vào thiết bị làm nguội

E-104 Thiết bị thu hồi bọt

Evaporato Thiết bị cô đặc

Bộ điều khiển nhiệt độ

Bộ hiển thị nhiệt độ

Bộ điều khiển mực chất lỏng

Bộ hiển thị mực chất lỏng

Bộ điều khiển lưu lượng chất lỏng

Bộ hiển thị lưu lượng chất lỏng

Nhiệt độ 30 94.5 86.5 45 104.4 30 30 119.6 30 30 Áp suất at 1 1 0.626 1 0.758 1 1 2 1 1

Thuyết minh quy trình

Nguyên liệu ban đầu cho quá trình là dung dịch CaCl2 với nồng độ 17% Dung dịch này được bơm từ bể chứa qua lưu lượng kế, sau đó đi vào thiết bị gia nhiệt để được đun nóng đến nhiệt độ sôi.

Thiết bị gia nhiệt là một loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, có cấu trúc hình trụ với nhiều ống nhỏ được sắp xếp theo hình tam giác đều Các đầu ống được cố định trên vỉ ống, và vỉ ống được hàn vào thân thiết bị Nguồn nhiệt đến từ hơi nước bão hòa có áp suất 2 at, được cung cấp bên ngoài ống Dung dịch chảy từ dưới lên bên trong ống, trong khi hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống, truyền nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ lên mức sôi Sau khi gia nhiệt, dung dịch sẽ được chuyển vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi, trong khi hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và được dẫn ra ngoài qua bẫy hơi.

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:

Phần dưới của thiết bị bao gồm buồng đốt với các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Trong khi dung dịch di chuyển trong ống, hơi nước bão hòa lưu thông xung quanh Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống, truyền nhiệt cho dung dịch bên trong, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho quá trình.

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 một phần dung môi

Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:

Khi thiết bị hoạt động, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo ra hỗn hợp lỏng – hơi với khối lượng riêng giảm, được đẩy từ dưới lên trên Ở ống tuần hoàn, thể tích dung dịch trên mỗi đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn, dẫn đến lượng hơi sinh ra nhiều hơn Do đó, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi trong ống tuần hoàn cao hơn, khiến hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là tạo ra dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.

Phần trên của thiết bị là buồng bốc, nơi tách hỗn hợp lỏng và hơi thành hai dòng riêng biệt Hơi thứ di chuyển lên trên, đi qua bộ phận tách giọt để loại bỏ các giọt lỏng Các giọt lỏng sẽ chảy xuống phía dưới, trong khi hơi tiếp tục di chuyển lên trên Dung dịch còn lại sẽ được hoàn lưu để sử dụng tiếp.

Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài qua ống tháo sản phẩm vào bể chứa nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet, nơi chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống bồn chứa qua ống baromet, trong khi khí không ngưng tiếp tục đi lên, được tách ra và hút ra ngoài bằng bơm chân không Khi hơi thứ ngưng tụ, thể tích giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm, giúp duy trì ổn định áp suất trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên cần lắp đặt ở độ cao phù hợp để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài mà không cần bơm, trong khi bình tách giọt có nhiệm vụ tách những giọt lỏng khỏi dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.

Cân bằng vật chất và năng lượng

Dữ kiện ban đầu

Năng suất nhập liệu: Gđ = 2400 kg/h

Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t 0 = 30 ℃

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa có độ ẩm bằng 5%, P = 2at Áp suất ngưng tụ: pc = 0,6at

Cân bằng vật chất

3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc)

3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Tổn thất nhiệt độ

Áp suất tại thiết bị ngưng tụ là 0,6 at, dẫn đến nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ đạt 85,5 ℃ Tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ được chọn là 1 ℃.

Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: t sdm (P o)– t w =Δ’’’

⇒t sdm (P o)=t w+Δ’ ’’,5+1,5℃ Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 86,5 0 C ⇒ P 0=0,626at

3.3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)

Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]:

∆'o - tổn 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= xtb',5 %

Tra bảng VI.2, trang 66, [2]:∆ ' o=8,75℃ f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11, trang 59, [2]: f,2.¿ ¿

Trong đó: t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(Po) = 86,5 ℃ ) r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc

Tra bảng I.251, trang 314, [1]: rw = 2291 (kJ/kg).

3.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)

Giả sử t sdd (P0 + ΔP) = 100 ℃, với xc = 38% và ρdd = 1322 kg/m³ (theo [1], bảng I.32 trang 38) Chiều cao ống truyền nhiệt được chọn là h2 = 3 m (bảng VI.6, trang 80, [2]), trong khi chiều cao thích hợp của dung dịch sôi từ miệng ống đến mặt thoáng là h1 = 0,5 m Gia tốc trọng trường được ký hiệu là g.

P 0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m 2

Tra bảng I.251, trang 314, [1], ptb = 0,758 at tương ứng với t sdm ( P tb ) = 91,46 ℃

Sai số 0,001% Vậy tsdd(Ptb) = 100 o C

3.3.3 Tổng tổn thất nhiệt độ: Σ Δ=Δ’+Δ’’+Δ’’ ’

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2 at, tD = 119,6 o C

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67, [2].

Trong đó: tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi ℃ tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ ℃ ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, ℃

Hiệu số nhiệt độ chung ∆ t ch =t D −t w công thức VI.18, trang 67, [2].

3.3.4 Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl 2 :

Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 đi vào thiết bị cô đặc là tsdd = 94,5 o C

Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 38 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là: tc = t sdd ( P 0)+2 Δ’’,5+2.4,964,42℃

Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]: a = 17 % (a < 0,2): đ A86.(1−a)A86.(1−0,17)474,38J/ (kg K) a = 38% (a > 0,2):

Với cct là nhiệt dung riêng của CaCl2 khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141, trang 152, [1]:

111 p2,7J/(kg K) Tra bảng I.154, trang172, [1] ta được nhiệt dung riêng ở nhiệt độ sôi 94,5 ℃ nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 là đ sdd 854,49J/(kg K)

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Nồng độ đầu xđ % khối lượng 17

Nồng độ cuối xc % khối lượng 38

Năng suất nhập liệu Gđ kg/h 2400

Năng suất sản phẩm Gc kg/h 1073,6

Suất lượng W kg/h 1326,32 Áp suất Po At 0,626

Enthalpy iw kJ/kg 2651,8 Ẩn nhiệt hóa hơi rw kJ/kg 2322

Hơi đốt Áp suất PD At 2

Nhiệt độ tD oC 119,6 Ẩn nhiệt ngưng tụ rD kJ/kg 2208

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Po tsdd(Po) o C 94,5

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ o C 8 Áp suất trung bình Ptb At 0,758

Nhiệt độ sôi của dung môi ở Ptb tsdm(Ptb) o C 91,46

Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh Δ” o C 4,96

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb tsdd(Ptb) o C 100

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ”’ o C 1

Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ o C 13,96

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi oC 19,54

Cân bằng năng lượng

3.4.1 Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt E-101

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: tđ = 30 o C tsdd = t sdd (P 0 ),5℃

Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp

Trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi đốt là 5%

Lượng hơi nước sử dụng cho thiết bị gia nhiệt

3.4.2 Cân bằng năng lượng ở thiết bị cô đặc

Phương trình cân bằng nhiệt.

Do trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi đốt là 5%

Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp

⇒ Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị cô đặc

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp cho nồi cô đặc

Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng: d=D

W 34,97 1326,32=1,534(kg h iơ đ tố /kg h iơ thứ)

3.4.3 Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ E-102

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Dựa vào bảng I.251, trang 314 [1], tra được hàm nhiệt hóa hơi của nước tại 0,6 at là

Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi thứ tỏa ra

Lượng nước làm mát đi vào thiết bị ngưng tụ hơi thứ:

3.4.4 Cân bằng năng lượng tại thiết bị làm nguội sản phẩm E-103

Gc.Csdd.tc Gc.Cc.tsp

Phương trình cân bằng năng lượng

Chọn nhiệt độ đầu ra của sản phẩm t sp @℃

Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng sản phẩm ra

Lượng nước sử dụng cho quá trình làm nguội

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Nhiệt độ vào buồng bốc tđ ℃ 94,5

Nhiệt độ ra ở đáy buồng bốc tc ℃ 104,42

Nhiệt dung riêng dung dịch 17% Cđ J/(kg.K) 3683,68

Nhiệt dung riêng dung dịch 38% Cc J/(kg.K) 2805,88

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 1107547,97

Lượng hơi đốt cung cấp D Kg/h 2034,97

Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng D Kg/kg 1,534

Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị gia nhiệt

Nhiệt dung riêng của nước ngưng Cn KJ/kg.độ 4186

Lượng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ

Thiết bị làm nguội sản phẩm

Lượng nước làm nguội G2 Kg/h 349,62

Thiết kế thiết bị chính

Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt

Với α1 là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/(m 2 K)

H là chiều cao ống truyền nhiệt H = h2 = 3 m

Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm: t m =t D +t v 1

Chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 4,4 ℃

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng

Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ của dung dịch: α n =0,145.P 0,5 ∆ t 2,33 (công thức V.91, trang 26 [2])

Xem nồng độ trong CaCl2 dung dịch là xc = 38%, Phần mol của dung dịch NaNO3: a x c

Khối lượng mol của hỗn hợp lỏng:

4.2.1 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(Ptb): λdd = A.Cdd.ρdd.√ 3 ρ M dd ,(W/mK) (công thức I.32 trang 123, [1])

Với A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với dung dịch CaCl2, A = 3,58.10 -8

M: khối lượng mol dd = c (62,346 (J/kg.K) – nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb) ρ dd 22,72 (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb) (tra [1], bảng I.32 trang 38 ở nhiệt độ 100 ℃ )

4.2.2 Hệ số cấp nhiệt của dung dịch: α 2 =α n ( λ λ dm dd ) 0,565 [ ( ρdm ρ dd ) 2 dd dm à à dm dd ] 0,435

Với λdm = 0,585 (W/m.K) – hệ số dẫn nhiệt của dung môi ở tsdm(Ptb) (tra bảng I.129 trang 133, [1])

Cdm = 4217 (J/kg.K) – nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(Ptb) (tra bảng I.149 trang 168, [1]) ρdm = 964,34 (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của nước ở ở tsdm(Ptb) (tra bảng I.5 trang 12, [1])

Ta có: t μ 1 −t μ 2 θ μ 1 −θ μ 2 =K=const (công thức I.17, trang 85, [1]) Trong đó: t μ 1 ,t μ2 là nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt tương ứng với μ 1 , μ 2 θ μ 1 , θ μ 2 nhiệt độ chất lỏng chất chuẩn μ 1 , μ 2

Với dung dịch CaCl2 15% có độ nhớt theo bảng I.107, trang 101,[1] ta có: t μ 1 ℃ ⇒μ dd1 =1.87.10 −3 (N s/m 2 ) t μ 2 ℃ ⇒μ dd2 =1.52.10 −3 (N s/m 2 )

Chọn nước làm chất lỏng chuẩn theo bảng I.102, trang 94, [1] μ n c ướ =1,87 10 −3 (N s/m 2 )⟹θ μ 1 =0℃ t μ 1 −t μ 2 θ μ 1 −θ μ 2 −20

Với dung dịch CaCl2 38% có t sdd ( P tb )0 ℃ ⟹ μ a l 2tại nhiệt độ này

Vậy μ n c ướ (44,69℃ ) bằng độ nhớt dung dịch CaCl2 tại t sdd ( P tb )0 ℃ : μ dd =0,6024.10 −3 (N s/m 2 )

dm = 0,3114.10 -3 N.s/m 2 – độ nhớt của nước ở t sdm (P tb ) (tra bảng I.102 trang 94, [1]) α 2 W19,95.( 0,4990,585) 0,565 [ ( 1322,72 964,34 ) 2 2862,346 4217 0,6024 10 0,3114.10 −3 −3 ] 0,435

4.2.3 Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q 2 =α 2 ∆ t2 C40,2.8,757976,79 (W/m 2 ) Sai số tương đối của q2 so với q1: δ q=| q 1−q 2 | q 1 =|38373,46−37976,79|

 Sai số chấp nhận được Vậy các thông số đã chọn phù hợp.

4.2.4 Nhiệt tải riêng trung bình: q tb =q 1 +q 2

Nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng được ký hiệu là r1, có giá trị r1 = 2900 1 = 0,3448.10 -3 (m².K/W) Bên cạnh đó, r2 được xác định là 0,387.10−3 (m².K/W) Độ dày của ống truyền nhiệt là δ = 2 mm = 0,001 m Hệ số dẫn nhiệt của ống, được tra cứu từ bảng XII.7, với ống làm bằng thép không gỉ OX18H10T, có giá trị λ = 3 W/(m.K).

Hệ số truyền nhiệt tổng quát cho quá trình cô đặc

Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1 ℃ 114,4

Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi tv2 ℃ 100,21

Hê số cấp nhiệt phía hơi ngưng α 1 W/(m 2 K) 7378,31

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α 2 W/(m 2 K) 4340,2

Bề dày ống truyền nhiệt δ m 0,002

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống λ W /(m K ) 16,3

Nhiệt trở phía hơi nước r1 m 2 K/W 0,3448.10 -3

Nhiệt trở phía dung dịch r2 m 2 K/W 0,387.10 -3

Tính kích thước thiết bị cô đặc

Tính kích thước buồng bốc

Lượng hơi thứ trong buồng bốc (Db)

Trong đó: W suất lượng hơi thứ (kg/h)

 h =0,3735kg/m 3 là khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc ở P0= 0,626 at (tra bảng I.251, trang 314, sổ tay 1)

Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc: ω h V h π D b 2

Db là đường kính buồng bốc (m).

2 (*) d là đường kính giọt lỏng (m) chọn d= 0,0003 (trang 276, [5]) àh = 0,0124.10 -3 (Pa.s) – độ nhớt động lực học của hơi thứ ở ỏp suất Po = 0,625 at, tsdm 86,5 o C (tra bảng I.121 trang 121, [1])

Nếu 0,2< ℜD th −4d n t +1=0,273−4.0,029

 Chọn b= 5 ống theo bảng V.11, trang 48, sổ tay 2 Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 5 ống trên đường xuyên tâm

 Số ống truyền nhiệt được thay thế là n=3

 Số ống truyền nhiệt còn lại là: n’01-19= 282 (ống)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này:

Tính kích thước các ống dẫn

Đường kính của các ống được tính một cách tổng quát theo công thức (VI.41), trang 74, [2]:

G – lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s v – tốc độ của lưu chất; m/s ρ – khối lượng riêng của lưu chất; kg/m 3

Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch CaCl2 17% ở 94,5 o C)

Chọn v = 1,5 m/s (trang 74, [2]). ρ10,048(kg/m 3 ) bảng I.32, trang 38, [1]

Chọn dt = 25 mm dn = 32 mm

Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2

Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch CaCl2 38% ở 104,42 o C) Chọn v = 1 m/s (trang74, [2]) ρ = 1322,6 kg/m 3

Chọn dt = 20 mm dn = 25 mm.

Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2

Lượng hơi đốt sử dụng D 34,97 kg/h.

Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 2 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1,107 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).

Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 414, QTTB tập 2

3.2034,97g8,32kg/h Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 2 at

Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1,107 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).

Chọn dt = 20mm dn = 25mm.

Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2

Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 0,626 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 0,3735 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 314, [1]).

Chọn dt = 250 mm dn = 273 mm.

Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 415, QTTB tập 2

5.3.6 Ống dẫn khí không ngưng:

Chọn dt = 20 mm; dn = 25 mm.

Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Số ống truyền nhiệt N ống 301 Đường kính buồng đốt Dt m 1 Đường kính trong ống tuần hoàn trung tâm Dth m 0,273 Đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm Dnth m 0,277

Buồng bốc Đường kính buồng bốc Db m 1,2

Chiều cao buồng bốc là 2,5 m Ống nhập liệu có đường kính trong 25 mm và đường kính ngoài 32 mm Ống tháo liệu có đường kính trong 20 mm và đường kính ngoài 25 mm Ống dẫn hơi đốt có đường kính trong 200 mm và đường kính ngoài 219 mm Ống dẫn hơi thứ có đường kính trong 250 mm và đường kính ngoài 273 mm Ống dẫn nước ngưng và ống dẫn khí không ngưng đều có đường kính trong 20 mm và đường kính ngoài 25 mm.

Tính toán tính bền cơ khí cho các chi tiết thiết bị của cô đặc

Tính cho thiết bị buồng đốt

6.1.1 Sơ lược về cấu tạo: Đường kính trong Dt = 1000 mm, chiều cao Ht = 3000 mm

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 2 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:

P m =P D – P a =2–1=1at=0,098 N/mm 2 Áp suất tính toán là:

Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 119,6 o C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: t tt =t D +209,6+209,6℃ (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7]).

⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là

Trong đó: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía)

Dt = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt.

Pt = 0,135 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt.

Dt = 1000 mm ⇒ Smin = 3 mm > 0,65 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 3 mm

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).

Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm

⇒ Hệ số bổ sung bề dày là:

Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:

D t = 1000 6−1 = 0,005 < 0,1 (thỏa). Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:

1000+(6−1) = 1,032 N/mm 2 > 0,135 N/mm 2 Vậy bề dày buồng đốt là 6 mm

⇒ Đường kính ngoài của buồng đốt: Dn = Dt + 2S = 1000 + 2.6 = 1012 mm.

Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]): dmax = √ 3 D t ( S− a ) (1−k) ; mm.

Dt = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt.

S = 6 mm – bề dày của buồng đốt. k – hệ số bền của lỗ. k= (2,3 D t P t

So sánh: Ống dẫn hơi đốt Dt = 200 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 với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân (6 mm).

Tính cho buồng bốc

6.2.1 Sơ lược về cấu tạo

Buồng bốc có đường kính trong là Db 00 mm, chiều cao Hb = 2500 mm.

Thân gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 2 kính quan sát.

Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt.

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.

Buồng bốc hoạt động trong điều kiện chân không cần phải chịu áp lực từ bên ngoài Áp suất tuyệt đối thấp nhất bên trong buồng bốc là 0,626 at, do đó buồng bốc sẽ phải chịu áp suất bên ngoài tương ứng.

Nhiệt độ của hơi thứ ra là t sdm (P 0 ),5℃ vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: t tt ,5+206,5℃

(trường hợp thân có bọc lớp 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:

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7]).

⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

(Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [7]).

⇒ Ứng suất chảy của vật liệu là σ c t = [σ]*.nc = 120.1,65 = 198 N/mm 2 Áp dụng công thức 5-14, trang 98,[7]:

Dt = 1200 mm – đường kính trong của buồng bốc.

Pn = 0,1347 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng bốc.

L = 2500 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích.

Dt = 1200 mm ⇒ Smin = 3 mm < 5,6 mm ⇒ chọn S’ = 5,6 mm

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).

Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,5 mm

⇒ Hệ số bổ sung bề dày là:

Kiểm tra bề dày buồng bốc:

Kiểm tra công thức 5-15, trang 99,[7]:

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:

So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99,[7]:

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:

Lực nén chiều trục lên buồng bốc: (công thức 5-30, trang 103, [7])

1,99.10 5 0,0843=0,073 (công thức 5-34, trang 103, [7]) Điều kiền thỏa mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [7]):

↔7 ≥ 1,83 (thỏa). Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]: σ n = π ( S− P nct a )(D t +S) = 3,14.(8−1)(1200+152976,27 7) = 5,77 N/mm 2 Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [7]:

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời của áp suất ngoài và lực nén chiều trục:

Kiểm tra điều kiện 5-47, trang 107, [7]: σ n

Vậy bề dày buồng bốc là 8 mm.

⇒ Đường kính ngoài của buồng bốc: Dn = Dt + 2S = 1200 + 2.8 = 1216 mm.

Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]) dmax = √ 3 D t ( S− a ) (1−k) mm.

Dt = 1200 mm – đường kính trong của buồng bốc.

S = 8 mm – bề dày của buồng bốc. k – hệ số bền của lỗ. k= (2,3 D t P n

So sánh: Ống nhập liệu Dt = 20 mm < dmax

Cửa sửa chữa Dt = 500 mm > dmax

Kính quan sát Dt = 200 mm > dmax

 Không cần tăng cứng cho lỗ hơi đốt vào

Tính cho đáy thiết bị

6.3.1 Sơ lược về cấu tạo

Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1000 mm. Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60 o

Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 906 mm

Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,071 m 3 Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu và 1 lỗ để gắn vòi thử sản phẩm.

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T

Chiều cao phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt Hc:

- 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:

Với n’ = tổng số ống truyền nhiệt (n) – số ống truyền nhiệt được thay thế (n’’) n’’ = 3 4 ( b 2 -1) = 3 4 ( 5 2 -1) = 18 ống.

- Thể tích của phần đáy nón:

- Với đường kính trong của ống nhập liệu là 20 mm, tốc độ nhập liệu được tính lại:

- Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm: v’= V nl d nl

-Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị: τ = l+l ' v ’ l+ V đ

Trong đó: vnl – tốc độ của dung dịch trong ống nhập liệu; m/s dnl – đường kính trong của ống nhập liệu; m

Dth - đường kình trong của ống tuần hoàn; m l – chiều dài của ống truyền nhiệt; m

- Thể tích dung dịch đi vào trong thiết bị:

Trong đó: ρ s là khối lượng riêng của dung dịch sôi bọt trong thiết bị.; kg/m 3

-Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt:

- Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là Hgc = 40 mm.

⇒ Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:

⇒ Thể tích của phần hình nón cụt:

⇒ Chiều cao của chất lỏng phần hình nón cụt:

- Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:

Hc – chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt; m

Hgc – chiều cao của chất lỏng trong phần gờ nối với buồng đốt; m

Hbđ – 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: p tt =ρ dd g H ’22,72.9,81 4,106.10 −6 =0,053N/mm 2

- Đáy có áp suất bên trong là P 0=0,629atnên chịu áp suất ngoài là

Ngoài ra, đáy còn chịu áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị Như vậy, áp suất tính toán là:

-Các thông số làm việc:

-Các thông số tính toán: l’ – chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 906 mm

D’ – đường kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, trang 133, [7]).

Trong đó: dt = 20 mm – đường kính trong bé của đáy nón (đường kính của ống tháo liệu)

Pn = 0,13 N/mm 2 tt = 104,42+20 = 124,42 o C (đáy có bọc lớp cách nhiệt).

-Các thông số cần tra và chọn:

[σ]* = 120 N/mm 2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt

(hình 1-2, trang 16, [7]) η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)

[σ] = η.[σ]* = 0,95.120 = 114 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu

Mô đun đàn hồi của vật liệu tại thời điểm tt được xác định là Et = 2,0.10^5 N/mm² (bảng 2-12, trang 34, [7]) Hệ số an toàn khi chảy được lấy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [7]) Giới hạn chảy của vật liệu tại tt được tính bằng công thức σ c t = nc [σ] = 1,65.1208 N/mm² (công thức 1-3, trang 13, [7]).

- Chọn bề dày tính toán đáy S = 6 mm

Kiểm tra bề dày đáy:

Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]:

Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:

So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99, [7]:

Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:

Dn – đường kính ngoài; mm

Pn – áp suất tác dụng lên đáy thiết bị; N/mm 2

- Lực nén chiều trục cho phép:

Kc – hệ số phụ thuộc vào tỷ số 2.(S− D t a ) ,tính theo công thức trang 103,[7]

= 1000875 N > 150306 N (thỏa) Điều kiện ổn định của đáy:

Vậy bề dày của đáy là 6 mm.

Để tính bền cho các lỗ, đường kính lớn nhất của lỗ cho phép mà không cần tăng cứng được xác định theo công thức (8-3) trang 162, [7]: dmax = 2.[ ( S − S ' a −0,8 ) √ D ' ( S− a ) − a ].

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’ – đường kính tính toán của đáy; mm

So sánh: Ống tháo liệu Dt = 20 mm < dmax

⇒ Không cần tăng cứng cho lỗ.

Tính toán cho nắp thiết bị

6.4.1 Sơ lược về cấu tạo

- Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn Dt = 1200 mm.

4 =300 mm và Rt = Dt 00 mm.

- Nắp có gờ và chiều cao gờ là hg = 50 mm.

- Nắp có 1 lỗ để thoát hơi thứ.

- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.

- Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là Po = 0,626 at nên chịu áp suất ngoài là Pn = 1,374 at = 0,1347 N/mm 2

- Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là tt = 86,5 + 20 = 106,5 o C

(nắp có bọc lớp cách nhiệt).

- Chọn bề dày tính toán nắp S = 8 mm.

Kiểm tra bề dày nắp:

E t =2 10 5 N/mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở tt = 106,5 o C

(bảng 2-12, trang 34, [7]) σ c t ¿1,65.1208N/mm 2 (giới hạn chảy của vật liệu (công thức 1-3, trang 13, [7])

[σ]* = 120 N/mm 2 - 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 với thép không gỉ. β = E t ( S− a )+ 5 x R t σ c t

2.10 5 (8−1)−6,7.0,7 1200.(1−0,7).198=2,42 ứng suất nén cho phép của vật liệu làm nắp tính giống như buồng bốc (công thức 5-31, trang 103, [7])

Vậy bề dày của nắp ellipse là 8 mm.

Tính bền cho các lỗ:

Vì nắp chỉ có lỗ để tháo liệu nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức (8-3), trang 162, [7]: dmax = 2.[ ( S − S ' a − 0,8 ) √ D ' ( S − a ) − a ]

S – bề dày đáy thiết bị; mm

(chọn theo cách tính của buồng bốc)

Ca – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm

D’ – đường kính tính toán của đáy; mm

So sánh: Ống dẫn hơi thứ Dt = 250 mm > dmax

⇒ Cần tăng cứng cho lỗ của ống dẫn hơi thứ, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày nắp (8 mm).

Tính mặt bích

6.5.1 Sơ lược về cấu tạo

Bu lông và bích được làm từ thép CT3

Mặt bích được sử dụng để kết nối nắp thiết bị với buồng bốc, giữa buồng bốc và buồng đốt, cũng như giữa buồng đốt và đáy thiết bị Để đảm bảo hiệu quả, nên chọn bích liền bằng thép, kiểu 1 (theo bảng XIII.27, trang 417, [2]).

Các thông số cơ bản của mặt bích:

Dt là đường kính trong, mm

D là đường kính ngoài của mặt bích, mm

Db là đường kính vòng bu lông, mm

D1 là đường kính đến vành ngoài đệm, mm

D0 là đường kính đến vành trong đệm, mm db là đường kính bu lông, mm

Z là số lượng bu lông, cái h là chiều dày mặt bích, mm

6.5.2 Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt

Buồng đốt và buồng bốc được kết nối với nhau thông qua đường kính buồng đốt là 1000mm, với áp suất tính toán của buồng đốt đạt 0,135 N/mm² và áp suất tính toán của buồng bốc là 0,1347 N/mm².

 Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py= 0,6 N/mm 2 để bích kín than

Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm

6.5.3 Mặt bích nối buồng đốt và đáy:

Buồng đốt và đáy được kết nối với đường kính buồng đốt là 1000mm Áp suất tính toán cho buồng đốt đạt 0,1347 N/mm², trong khi áp suất tính toán cho đáy là 0,1877 N/mm².

 Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py= 0,6 N/mm 2 để bích kín thân

Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm

6.5.4 Mặt bích nối nắp và buồng bốc:

Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt= 1200mm Áp suất tính toán của buồng bốc và nắp là 0,1347 N/mm 2

 Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py= 0,3 N/mm 2 để bích kín thân

Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 Mm Mm mm cái mm mm

Tính vỉ ống

6.6.1 Sơ lược về cấu tạo:

Chọn vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị Vỉ ống phải giữ chặt các ống truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất.

Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong.

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.

Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là t t =t D 9,6℃ Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt là [σ¿¿u] ¿ 0N/mm 2 ¿(hình 1-2, trang 16, [7])

Chọn hệ số hiệu chỉnh η=1

 Ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt là

6.6.2 Tính cho vỉ ống ở trên buồng đốt

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1’ được xác định theo công thức 8-

K= 0,3 là hệ số được chọn (trang 181, [7])

Dt là đường kính trong của buồng đốt, mm p0 là áp suất tính toán ở trong ống, N/mm 2

[σ] u là ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt, N/mm 2

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa ống h’ được xác định theo công thức 8-48, trang 181,[7] h’= D t K √ [ σ P ] u φ 0 0

K= 0,5 là hệ số được chọn (trang 181, [7])

0 là hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ.

Dn= 1000mm là đường kính vỉ ống, mm

d là tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ, mm

Kiểm tra bề vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức 8-53, trang 183, [7] σu P o

Trong đó: dn= 29 mm là đường kính ngoài ống truyền nhiệt t=1,4.d n =1,4 0,029=0,0406m là bước ống

2 0,0406=0,035m5mm được xác định theo hình 8-14, trang 182, [7] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều.

Vậy vỉ ống trên buồng đốt dày 30mm

6.6.3 Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1’ được xác định theo công thức 7-

K= 0,3 là hệ số được chọn (trang 181, [7])

Dt là đường kính trong của buồng đốt, mm p0 là áp suất tính toán ở trong ống, N/mm 2

Với ddmax = dd (27,5 %; 94,5 ℃ )= 1223,18 kg/m 3 (tra bảng I.32 trang 38[1].

[σu] là ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt, N/mm 2

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định theo công thức 8-

K= 0,5 là hệ số được chọn (trang 181, [7])

0 là hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ.

Dn= 1000mm là đường kính vỉ ống, mm

d là tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ, mm

Kiểm tra bề vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức 8-53, trang 183, [7] σu P o

Trong đó: dn= 30mm là đường kính ngoài ống truyền nhiệt t= 1,4 dn= 1,4 0,029= 0,0406 m là bước ống

2 0,0406=0,035m5mm được xác định theo hình 8-14, trang 182, [7] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều.

Vậy vỉ ống trên buồng đốt dày 30mm

Khối lượng và tai treo

Khối lượng tai treo cần chịu: m = mtb + mdd

- Tổng khối lượng thép làm thiết bị: mtb = mđ+mn+ mbb+ mbđ + mc + mvỉ + mống TN + mống TH + mbích + mbu lông + mốc

Trong bài viết này, chúng ta sẽ đề cập đến các khối lượng thép cần thiết cho các bộ phận khác nhau của hệ thống Cụ thể, mđ là khối lượng thép làm đáy (kg), mn là khối lượng thép làm nắp (kg), mbb là khối lượng thép làm buồng bốc (kg), mbđ là khối lượng thép làm buồng đốt (kg), mc là khối lượng thép làm phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt (kg), mống TN là khối lượng thép làm ống truyền nhiệt (kg), và mống TH là khối lượng thép làm ống tuần hoàn trung tâm (kg).

Khối lượng riêng của thép không gỉ OX18H10T là ρ1 = 7900 kg/m 3

Khối lượng riêng của thép CT3 là ρ2 = 7850 kg/m 3

Buồng đốt được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.

Thể tích thép làm buồng đốt:

Dnbđ – đường kính ngoài của buồng đốt; m

Dtbđ – đường kính trong của buồng đốt; m

Hbđ – chiều cao của buồng đốt; m

Khối lượng thép làm buồng đốt: m bđ =ρ 1 V bđ y00.0,057E0,3kg

Buồng bốc được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.

Thể tích thép làm buồng bốc:

Dnbb – đường kính ngoài của buồng bốc; m

Dtbb – đường kính trong của buồng bốc; m

Hbb – chiều cao của buồng đốt;

Khối lượng thép làm buồng đốt: m bb =ρ 1 V bb y00.0,0758Y9,3kg

6.7.3 Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt

Phần hình nón cụt được chế tạo từ thép không gỉ OX18H10T, với đường kính trong lớn tương ứng với đường kính buồng bốc Dtl là 1200 mm và đường kính trong nhỏ tương ứng với đường kính buồng đốt Dtn là 1000 mm.

Bề dày của phần hình nón cụt (không tính gờ) bằng với bề dày buồng bốc

Bề dày của phần gờ nón cụt bằng với bề dày buồng đốt S = 6 mm.

Chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ) là Hc = 250 mm.

Chiều cao của phần gờ nón cụt là Hgc = 40 mm.

Thể tích thép làm phần hình nón cụt:

Vc = 12 π [ ( D nl 2 + D nl D nn + D nn 2 ) − ( D tl 2 + D tl D tn + D tn 2 ) ] H c + π 4 D đ 2 H gc ¿ π

Khối lượng thép làm phần hình nón cụt: m c =ρ 1 V c y00.0,00687T,273kg

6.7.4 Đáy nón Đáy nón được làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Đáy nón tiêu chuẩn có góc đáy 60 o , có gờ cao 40 mm.

⇒ Khối lượng thép làm đáy nón: m đ =1,01.87,87kg

Nắp ellipse được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.

Nắp ellipse tiêu chuẩn có:

⇒ Khối lượng thép làm nắp ellipse: m n =1,01.1067,06kg

6.7.6 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm Ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.

Thể tích thép làm ống:

Vong = VongTN + VongTH = π [ n ' ( d n 2 −d l 2 ) + ( D nth 2 − D tth 2 ) ]

Khối lượng thép làm ống: m ố ng =ρ 1 V ố ng y00.0,14978,18kg

Có 6 mặt bích, gồm 2 mặt nối nắp và buồng bốc, 2 mặt nối buồng bốc và buồng đốt, 2 mặt nối buồng đốt và đáy Các mặt bích phía buồng đốt có vỉ ống.

Mặt bích được làm bằng thép CT3.

Thể tích thép làm 2 mặt bích không có vỉ ống:

4 0,028 = 0,0126 m 3 Thể tích thép làm 2 mặt bích có vỉ ống:

D, Z, db, h là những thông số của bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy.

Dt – đường kính trong của buồng đốt; m dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; m

Dnth – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm; m.

Thể tích thép làm mặt bích nối nắp và buồng bốc:

D, Z, db, h là những thông số của bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy.

Dt – đường kính trong của buồng đốt; m

⇒ Tổng thể tích thép làm mặt bích:

⇒ Khối lượng thép làm mặt bích: m bích =ρ 2 V bích x50.0,0689T0,87kg

Bu lông và ren được làm bằng thép CT3.

Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:

D=1,7.d b =1,7.204mm – đường kính bu lông.

H=0,8.d b =0,8.20mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi. h ’=0,8.d b =0,8.20mm – chiều cao đai ốc. h ’’=h+2 +2"mm – chiều cao phần lõi bu lông. h’’’ = 9 mm – kích thước phần ren trống.

Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:

D = 1,7.db = 1,7.20 = 34 mm – đường kính bu lông.

H = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi. h’ = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc. h’’ = h + 2 = 20 + 2 = 22 mm – chiều cao phần lõi bu lông. h’’’ = 9 mm – kích thước phần ren trống.

6.7.9 Đai ốc Đai ốc được làm bằng thép CT3.

Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:

H ’=0,8 d b =0,8.20mm – chiều cao đai ốc. d t =1,4.d b =1,4.20(mm – đường kính trong của đai ốc. d n =1,15.d b =1,15.282,2mm – đường kính ngoài của đai ốc.

4 0,016 = 0,00018 m 3 Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:

H ’=0,8 d b =0,8.20mm – chiều cao đai ốc. d t =1,4.d b =1,4.20(mm – đường kính trong của đai ốc. d n =1,15.d b =1,15.282,2mm – đường kính ngoài của đai ốc.

⇒ Tổng thể tích thép làm bu lông, ren và đai ốc:

⇒ Khối lượng thép làm bu lông, ren và đai ốc: m bu lông +m đai c ố =ρ 2 ΣVx50.0,002742!,53 kg

6.7.10 Vỉ ống Được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.

Thể tích thép làm vỉ ống:

Dt = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt. dn = 29 mm – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.

Dnth = 277 mm – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm.

S = 30 mm – chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống.

4 0,03=0,032m 3 Khối lượng thép làm vỉ ống: m vỉ =ρ 1 V vỉ y00.0,032%5,1kg

Chi tiết Loại thép Khối lượng (kg)

Phần hình nón cụt OX18H10T 54,27 Đáy nón OX18H10T 87,87

Nắp ellipse OX18H10T 107,06 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm

Bu long, Ren, Đai ốc CT3 21,53

Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dich trong thiết bị:

Khối lượng riêng lớn nhất của dung dịch đạt được ở nồng độ 38% và nhiệt độ 94,5 ℃, với giá trị cụ thể là 1326 kg/m³.

Thể tích dung dịch trong thiết bị:

Vdd = Vc + Vống TH +Vống TN +Vđ

Db – đường kính trong của buồng bốc; m

Dđ – đường 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; m 3

VốngTN – thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt; m 3

Vđ – thể tích dung dịch trong đáy nón; m 3

Khối lượng cần tăng cứng cho các bộ phận:

Tổng tải trọng của thiết bị:

Chọn 4 tai treo thẳng đứng, được làm bằng thép CT3.

Trọng lượng trên mỗi tai treo:

Các thông số của tai treo được chọn từ bảng XIII.36, trang 438, [2]:

G – tải trọng cho phép trên một tai treo; N

F – bề mặt đỡ; N q – tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ; N/m 2