TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC
Cô đặc là phương pháp nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch đa cấu tử bằng cách tách một phần dung môi dễ bay hơi Quá trình này thường diễn ra ở nhiệt độ sôi chênh lệch cao và có thể áp dụng cho dung dịch lỏng – rắn hoặc lỏng – lỏng Tùy thuộc vào tính chất của cấu tử khó bay hơi, phương pháp tách dung môi có thể thực hiện bằng cách đun nóng hoặc làm lạnh kết tinh.
2 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng) là quá trình mà dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi nhờ vào tác động của nhiệt Hiện tượng này xảy ra khi áp suất riêng phần của dung môi đạt bằng áp suất tác động lên bề mặt chất lỏng.
Phương pháp lạnh là quá trình hạ nhiệt độ để tách một cấu tử ra dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường áp dụng để 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, và trong một số trường hợp, cần sử dụng máy lạnh để thực hiện quá trình này.
3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu xảy ra do bọt khí hình thành từ việc 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 sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi Để ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc, việc tách không khí và lắng keo (protit) là rất quan trọng.
4 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 quan trọng Tương tự, trong ngành hóa chất, quá trình cô đặc cũng cần thiết cho các dung dịch như NaOH, NaCl, CaCl2 và các muối vô cơ khác.
Hiện nay, các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn, cho thấy tầm quan trọng của nó trong quy trình sản xuất Mặc dù cô đặc là hoạt động gián tiếp, nhưng nó thiết yếu cho sự tồn tại của nhà máy Sự phát triển của ngành công nghiệp yêu cầu cải thiện hiệu quả thiết bị cô đặc, đòi hỏi các thiết bị hiện đại, an toàn và hiệu suất cao Do đó, kỹ sư cần có kiến thức vững vàng và đa dạng, cũng như chủ động tìm hiểu các nguyên lý mới trong công nghệ cô đặc.
IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
1 Phân loại và ứng dụng
Nhóm 1 bao gồm dung dịch đối lưu tự nhiên, hay còn gọi là tuần hoàn tự nhiên Thiết bị cô đặc thuộc nhóm này có khả năng cô đặc dung dịch loãng với độ nhớt thấp, giúp đảm bảo quá trình tuần hoàn diễn ra 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 khả năng tăng cường hệ số truyền nhiệt k, cho phép sử dụng với các dung dịch có độ nhớt cao và đặc sệt, 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 các thiết bị cô đặc cho phép dung dịch chảy thành màng mỏng qua bề mặt truyền nhiệt một lần, nhằm tránh tác động nhiệt độ lâu dài có thể làm biến chất các thành phần của dung dịch Phương pháp này đặc biệt phù 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.
1.2.Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) là quá trình diễn ra với nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được áp dụng trong việc cô đặc dung dịch liên tục Mục đích chính là duy trì mức dung dịch ổn định, từ đó đạt được năng suất tối đa và rút ngắn thời gian cô đặc.
Cô đặc áp suất chân không là quá trình làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch dưới áp suất thấp, giúp dung dịch tuần hoàn hiệu quả và hạn chế việc tạo cặn Quá trình này cũng cho phép sự bay hơi của dung môi diễn ra liên tục, tối ưu hóa hiệu suất làm việc.
Cô đặc nhiều nồi nhằm tiết kiệm hơi đốt, nhưng số lượng nồi không nên quá lớn để đảm bảo hiệu quả tiết kiệm Có thể áp dụng các 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, mặc dù hiện tại chưa có cảm biến đủ độ tin cậy cho việc điều khiển tự động Mỗi nhóm thiết bị có thể được thiết kế với buồng đốt trong hoặc ngoài, kèm theo tùy chọn 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.
2 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
Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…
LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH
Dựa trên tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cùng với các điều kiện kỹ thuật, người viết đã chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục với buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm Thiết bị này không chỉ có cấu tạo đơn giản mà còn dễ dàng trong việc vệ sinh và sửa chữa.
Cô đặc ở áp suất chân không giúp giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, từ đó tiết kiệm chi phí năng lượng và ngăn ngừa hiện tượng chất tan bị lôi cuốn theo, bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng do cặn bám.
Loại thiết bị và phương pháp này có tốc độ tuần hoàn dung dịch thấp do ống tuần hoàn cũng bị đun nóng, dẫn đến hệ số truyền nhiệt không hiệu quả.
THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Dung dịch NaOH với nồng độ 12% được sử dụng làm nguyên liệu chính Sau khi được bơm từ bể chứa lên bồn cao vị, dung dịch sẽ chảy qua lưu lượng kế trước khi vào thiết bị gia nhiệt, nơi nó được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt là một loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm với cấu trúc trụ đứng, bên trong chứa nhiều ống nhỏ được sắp xếp theo hình tam giác đều Các đầu ống được cố định chắc chắn trên vỉ ống, và vỉ ống được hàn vào thân thiết bị Nguồn nhiệt sử dụng là hơi nước bão hòa có áp suất 3 at, đi bên ngoài ống, trong khi dung dịch chảy từ dưới lên bên trong ống Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống, cung cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ lên đến điểm sôi Sau khi gia nhiệt, dung dịch sẽ được chuyển đến thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi, trong khi hơi nước ngưng tụ sẽ trở 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 Dung dịch di chuyển trong ống, trong khi hơi nước bão hòa đi qua không gian bên ngoài ống Hơi nước này sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động bên trong.
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 và tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi với khối lượng riêng giảm, được đẩy từ dưới lên trên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn, dẫn đến lượng hơi tạo ra nhiều hơn so với ống truyền nhiệt Do đó, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn, và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là hình thành 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 thiết bị chứa buồng bốc, nơi thực hiện quá trình tách hỗn hợp lỏng và hơi thành hai dòng riêng biệt Hơi sẽ di chuyển lên trên buồng bốc và đi đến bộ phận tách giọt, nơi những giọt lỏng được tách ra khỏi dòng khí Trong khi các giọt lỏng chảy xuống dưới, hơi tiếp tục đi lên, và dung dịch còn lại sẽ được hoàn lưu.
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 trên buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng, trong khi dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng để ngưng tụ thành lỏng khi gặp nước giải nhiệt Khí không ngưng tiếp tục đi lên, được tách ra và hút ra ngoài bằng bơm chân không Khi hơi thứ ngưng tụ, áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm, giúp duy trì áp suất ổn định trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển và cần lắp đặt ở độ cao để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài mà không cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn để tách những giọt lỏng theo dòng khí không ngưng và đưa về bồn chứa nước ngưng.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Năng suất nhập liệu: Vđ = 2m 3 /h
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t 0 = 30 0 C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 3 at Áp suất ngưng tụ: pck = pc = 1at
2.1.Suất lượng tháo liệu (Gc)
Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 12 % ở 30 0 C: ρđ = 1126,3 kg/m
Suất lượng nhập liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1126,3.2 = 2252,6 kg/h
Dung dịch sôi Hơi đốt
7.Thiết bị ngưng tụ Baromet 6.Thiết bị cô đặc
9 hệ thống tháo nước ngưng
⇒Gc = Gđ xđ xc = 2252,6.12 48 = 563,15 (kg/h)
2.2.Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Áp suất tại thiết bị ngưng tụ là 1 at, dẫn đến nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ đạt 99°C Tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ được chọn là 1°C.
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: tsdm(po) – tw = Δ’’’ ⇒ tsdm(po) = tw + Δ’’’ = 99 + 1 = 100 0 C Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 100 0 C ⇒ 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 - 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 = 30 %.
Tra bảng VI.2, trang 67, [2]: ∆ 'o = 17 0 C f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11, trang
Nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho là t = 100°C, trong khi ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất tại áp suất làm việc được ký hiệu là r Để biết thêm chi tiết, vui lòng tham khảo bảng I.251, trang.
3.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)
- Gọi Ptb – áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa dung dịch NaOH cần cô đặc, N/m 2
Trong đó: ρdd – khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi (kg/m 3 )
Chọn tsdd(po+ Δp) = 120 o C, C% = xtb = 30 %, ta có ρdd = 1261 (kg/m 3 )
(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 hợp của dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng (m).
Chọn h1 = 0,3 m. g – gia tốc trọng trường.
PO – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m 2
Tra bảng I.251,trang 314,[1], ptb = 1,16 at tương ứng với tsdm(ptb) 3,18 0 C
Sai số 0,33% được chấp nhận Vậy tsdd(ptb) = 120 0 C
Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3 at, tD = 132,9 o C
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67,[2]. Δthi = tD – tstb
Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (tstb) được tính bằng công thức tstb = ΣΔ + tw, trong đó ΣΔ là tổng tổn thất nhiệt và tw là nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ Kết quả tính toán cho thấy tstb = 21,04 + 99 = 120,04 °C Bên cạnh đó, tD là nhiệt độ hơi đốt của nồi, cũng được đo bằng độ C.
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Năng suất nhập liệu Gđ Kg/h 2252,7
Năng suất tháo liệu Gc Kg/h 563,15
Suất lượng W Kg/h 1689,45 Áp suất P0 At 1,033
Enthalpy iw kJ/kg 2677,4 Ẩn nhiệt hóa hơi rw kJ/kg 2261,525
Hơi đốt Áp suất pD At 3 Ẩn nhiệt ngưng tụ rD kJ/kg 2171
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po tsdd (po) 0C 116,86
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ 0 C 16,86 Áp suất trung bình (ptb) At 1,26
Nhiệt độ sôi ở dung môi ở po tsdm (ptb) 0 C 103,18
Tổn thất nhiệt do cột thủy tĩnh Δ’’ 0 C 3,18
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd (ptb) 0 C 120,04
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ 0 C 1
Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ 0C 21,04
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi 0C 12,86
Do dung dịch đầu Gđcđtđ
Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt D.iD
Do sản phẩm mang ra Gccctc
Do hơi thứ mang ra W.iW
Nhiệt độ của dung dịch NaOH 12% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: tvào = 30 o C tra = tsdd(po) = 116,86 o C
⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaOH 12 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 116,86 o C
⇒ 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 3,22 0 C
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được 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 - cct).a = 4186 – (4186 – 1310,75).0,48 = 2805.88 J/(kg.K)
Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141, trang 152, [1]: cct = C Na 1+C o 1+ C H 1
4.2 Phương trình cân bằng nhiệt.
Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDctDctD = 0
Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φDct = 0,05 (độ ẩm của hơi).
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φDct)( iD - cθ) (W)
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ tương đương với nhiệt độ của hơi đốt, không bị lạnh quá mức sau khi ngưng Điều này dẫn đến mối quan hệ (iD - cθ) = rD = 2171 kJ/kg, trong đó rD là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt.
(*) ⇒ D(1 - φDct)( iD - cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W iW + Qtt (**)
(**) ⇒ QD = D(1 - εQ)(1 - φDct)( iD - cθ) = Gđ(cctc - cđtđ) + W( iW - cctc)
⇒ Lượng hơi đốt biểu kiến:
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng: d = W D 0,52
= 1,108 (Kg hơi đốt/ Kg hơi thứ)
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ vào buồng bốc tđ OC 116,86
Nhiệt độ ra ở đáy buồng bốc tc OC 127,96
Nhiệt dung riêng dung dịch 12% cđ J/(kg.K) 3683,68
Nhiệt dung riêng dung dịch 48% cc J/(kg.K) 2805,88
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 1018850,3
Lượng hơi đốt dự kiến D Kg/s 0,52
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng d Kg/kg 1,108
TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Để bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt, cần giảm tốc độ hơi đốt bằng cách chia thành nhiều miệng vào Tốc độ hơi đốt được chọn là nhỏ (ω = 10 m/s) và nước ngưng chảy màng do ống truyền nhiệt ngắn với chiều cao h0 = 1,5 m Hơi bão hòa tinh khiết ngưng trên bề mặt đứng Công thức áp dụng là α1 = 2,04.A.(H.∆rt)0,25, theo tài liệu trang 28, [2].
Trong đó: α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m 2 K). r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước 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 nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm.
∆ t 1 = t D −t v : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng, o C tm = t D +t v
Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là t v = 129,8 0 C. tm = 132,9+ 2 129,8 = 131,35 0 C.
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q1=α1 ∆ t 1 = 10209,09.3.1 = 31648,18 W/m 2
2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]: α2= αn ( λ λ dm dd ) 0,565 [ ( ρ ρ dm dd ) 0,25 ( c c dm dd ) ( μ μ dm dd ) 0,25 ] ; W/(m 2 K)
Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch được ký hiệu là αn Do hiện tượng nước sôi sủi bọt, αn được tính theo công thức: αn = 0,145.p^0,5.Δt^2,33, trong đó p = po = 1,033 at = 101337,3 N/m².
αn = 0,145 101337,3 0,5 9,5 2,33 = 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 nước ở tsdm(ptb); μ dd = 0,00171 Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb); μ dm = 0,000287 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb); ρdd = 1261 kg/m³ - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb); ρdm = 947,56 kg/m³ - khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb); λdd = 0,59 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb); λdm = 0,682 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb).
GHI CHÚ: cdm, μ dm, ρdm, λdm: tra bảng I.249, trang 311, [1] μ dd : tra bảng 9, trang 16, [8] ρdd : tra bảng 4, trang 11, [8] λdd được tính theo công thức (I.32), trang 123, [1]: λdd = A.cdd ρdd.√ 3 ρ M dd
A - hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết.A 3,58.10 −8
M – khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O.
Giả sử nồng độ cuối của NaOH trong dung dịch là 48% thì: a x C
3 Nhiệt tải riêng phía tường
Trong đó: Σr v – tổng trở vách ( m 2 K/W). Σr v = r 1 + δ λ + r 2 = 0,3448.10 -3 + 0,002 16,3 + 0,387.10 -3 = 0,8545.10 -3 ( m 2 K/W).
r 1 = 0.3448.10 -3 (m 2 K/W)– nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]).
r 2 = 0,387.10-3 (m 2 K/W) – nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp 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] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T).
Δt v = t v1 - t v2 ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường.Với quá trình cô đặc liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên q v = q 1 = q 2
Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q 2 = α 2 Δt 2 = 3628,36.9,5 = 32095,22 W/m 2
Nhiệt tải riêng trung bình: q tb = q 1 +q 2
4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc
K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt:
5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1 oC 129,8
Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi tv2 oC 128,4337
Hê số cấp nhiệt phía hơi ngưng α 1 W/ (m 2 K) 10209,09
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α 2 W/ (m 2 K) 3628,36
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
Hệ số truyền nhiệt tổng quát K W/ (m 2 K) 814,3
Nhiệt tải riêng trung bình qtb W/m 2 31871,7
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F m 2 97,3
TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1 Tính kích thước buồng bốc
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:
W – suất lượng hơi thứ (kg/h).
ρ h - 0,5967 kg/m 3 là khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc p0 = 1,033 at ( tra bảng I.251,trang 314 , [1]).
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc: ω h V h π D b 2
Db là đường kính buồng bốc (m).
Tốc độ lắng: được tính theo công thức 5.14, trang 276, [5]. ω 0 = √ 4 g 3 ( ρ ρ ' − ' ' ε ρ '' ) d = √ 4.9,81 3.0,5967 3,67( 945,92 −0,5967 D b ) 1,2 0,0003 = D 1,3 b 0,6
ρ ' = 945,92 kg/m 3 – khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm(po)
ρ h = 0,5967 kg/m 3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc ở po = 1,033at.
d – đường kính giọt lỏng; m Chọn d = 0,0003 m (trang 292, [5]).
ε – hệ số trở lực, tính theo Re:
μ h = 0,012.10 -3 Pa.s là độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 1,033 at (tra hình VI, trang 57, [8]).
(1), (2) ⇒ ε = 3,67 D b 1,2 Áp dụng điều kiện wh < (0,7 ÷ 0,8)wo theo [5]:
⇒ chọn Db = 1,6 m = 1600 mm theo tiêu chuẩn trang 293, [5]
1,6 2 = 5,8 (thỏa 0,2< Re < 500) Vậy Db = 1600mm
1.2.Chiều cao buồng bốc (Hb) Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]:
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 m 3 /(m 3 h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2]).
⇒ Chiều cao buồng bốc : Hb V b π D b 2
3,14.0,9 2 = 1,46 Nhằm mục đích an toàn, ta chọn Hb = 1,4 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt).
2 Tính kích thước buồng đốt
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]: n = π d l F
F = 97,3 – diện tích bề mặt truyền nhiệt (m 2 ). l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt. d – đường kính của ống truyền nhiệt.
Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm.
Số ống truyền nhiệt là: n = 3,14.0,025.1,597,3 = 826
Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 817 và bố trí ống theo hình lục giác đều.2.2.Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth) Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:
⇒ chọn Dth = 0,4m = 400 mm theo tiêu chuẩn trang 290,[5].
2.3.Đường kính buồng đốt (Dt) Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (III-52), trang 135, [4]:
Hệ số t d n có giá trị từ 1,3 đến 1,5, trong đó chọn β = 1,4 Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt là dn = 0,029 m Hệ số sử dụng vỉ ống φ thường nằm trong khoảng từ 0,7 đến 0,9, và ở đây chọn φ = 0,8 Chiều dài của ống truyền nhiệt được xác định là l = 1,5 m.
Dnth = 0,45 + 2.0,002 = 0,454 m – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm. α = 60 o – góc ở đỉnh của tam giác đều.
F = 103,78 m 2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt.
⇒ chọn Dt = 1,4 m = 1400 mm theo tiêu chuẩn trang 291,[5].
3 Tính kích thước các ống dẫn Đường kính của các ống được tính một cách tổng quát theo công thức (VI.41), trang
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 NaOH 12% ở 116,86 o C)
Chọn dt = 120 mm dn = 125 mm.
Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 48% ở 123,22 o C) Chọn v = 1 m/s (trang74, [2]) ρ = 1437,51 kg/m 3
Chọn dt = 40 mm dn = 45 mm.
Lượng hơi đốt biểu kiến D = 0,52 kg/s.
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 3 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 0,618 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
Chọn dt = 250mm , dn = 259mm.
Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 3 at
Chọn v = 0,75 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1618 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
Chọn dt = 20mm dn = 25mm.
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 1,033 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 0,5790 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 314, [1]).
3.6.Ống dẫn khí không ngưng :
TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶ
1.1.Sơ lược về cấu tạo
Buồng đốt có đường kính trong Dt = 1400 mm, chiều cao Ht = 2000 mm.
Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng.
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
Hơi đốt là hơi nước 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/mm 2 Áp suất tính toán là:
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 132,9 o C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt = tD + 20 = 132,9 + 20 = 152,9 o C
(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
φDct = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía)
Dt = 1400 mm – đường kính trong của buồng đốt.
Pt = 0,214 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt.
Dt = 1400 mm ⇒ Smin = 3 mm > 1,45 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 = 1400 5−1 = 0,0028 < 0,1 (thỏa). Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
Vậy bề dày buồng đốt là 5mm
⇒ Đường kính ngoài của buồng đốt: Dn = Dt + 2S = 1400 + 2.5 = 1410 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−C a ) (1− k) ; mm.
Dt = 1400 mm – đường kính trong của buồng đốt.
S = 5 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 = 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 với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân (5 mm).
2.1.Sơ lược về cấu tạo
Buồng bốc có đường kính trong là Db 00 mm, chiều cao Hb = 1800 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 1,033 at, do đó buồng bốc phải chịu áp suất bên ngoài tương ứng.
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 o C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: ttt
(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt).
Chọn hệ số bền mối hàn φDcth = 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 = 1600 mm – đường kính trong của buồng bốc.
Pn = 0,095 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng bốc.
L = 1800 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích.
Dt = 1600 mm ⇒ Smin = 3 mm < 5,3 mm ⇒ chọn S’ = 5,3 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 = 0,5 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:
1,99.10 5 0,126 = 0,109. Điều kiền thỏa mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [7]):
↔6 ≥ 1,68 (thỏa). Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]: σ n = π ( S−C P nct a )(D t +S) = 3,14.(7−1)(1600+194267,6 7) = 6,41 N/mm 2 Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [7]:
= 0,109.1,99.10 5 1600 7− 1 = 81,34 N/mm 2 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 7 mm.
⇒ Đường kính ngoài của buồng bốc: Dn = Dt + 2S = 1600 + 2.7 = 1614 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−C a ) (1− k) ; mm.
Dt = 1600 mm – đường kính trong của buồng bốc.
S = 7 mm – bề dày của buồng đốt. k – hệ số bền của lỗ. k= 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
⇒ Cần tăng cứng cho cửa sửa chữa và kính quan sát, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng là 15 mm.
3 Tính cho đáy thiết bị
3.1.Sơ lược về cấu tạo
Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1400 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 = 1269 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 m 3
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 ( 10 2 -1) = 74 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 l’ – chiều dài hình học của đáy; 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 = 30 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: ptt = ρdd.g.H’ = 1261.9,81.2,843.10 -6 = 0,035 N/mm 2
- Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 1,033 at nên chịu áp suất ngoài là 0,967 at
= 0,095 N/mm 2 (61) 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:
Dt = 1400 mm p0 = 1,033 at = 0,001013 N/mm 2 tm = tsdd(po + 2Δp) = 123,22 o C.
-Các thông số tính toán: l’ – chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 1269 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 = 123,22 + 20 = 143,22 o C (đáy có bọc lớp cách nhiệt).
-Các thông số cần tra và chọn:
[σ]* = 116 N/mm 2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt
η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
[σ] = η.[σ]* = 0,95.116 = 110,2 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu
Et = 2,0.10 5 N/mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở tt
nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7])
σ c t = nc.[σ]* = 1,65.116 = 191,4 N/mm 2 – giới hạn chảy của vật liệu ở tt (công thức1-3, trang 13, [7])
- Chọn bề dày tính toán đáy S = 8 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−C D t a ) ,tính theo công thức trang 103,[7]
= 1430898 N > 203461,58 N (thỏa) Điều kiện ổn định của đáy:
Vậy bề dày của đáy là 8 mm.
Tính bền cho các lỗ:
Vì đáy 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 −C S ' a − 0,8 ) √ D ' ( S−C a ) −C 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.
4 Tính cho nắp thiết bị
4.1.Sơ lược về cấu tạo
- Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn Dt = 1600 mm.
4 =400 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 = 1,033 at nên chịu áp suất ngoài là Pn = 0,967 at = 0,095 N/mm 2 (51).
- Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là tt = 100 + 20 = 120 o C
(nắp có bọc lớp cách nhiệt).
- Chọn bề dày tính toán nắp S = 7 mm.
Kiểm tra bề dày nắp:
⇒ [Pn] = 2 [ σ n ] (S−C a ) β R t (công thức 6-12, trang 127, [7]) Trong đó:
Et = 1,99.105 N/mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở tt = 120 o C
(giới hạn chảy của vật liệu ở tt (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−C a )+5.x R t σ c t
[ σ n ] = 85,67 N/mm 2 – ứng suất cho phép của vật liệu làm nắp
Vậy bề dày của nắp ellipse là 7mm.
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 −C S ' a − 0,8 ) √ D ' ( S−C a ) −C a ]
S – bề dày đáy thiết bị; mm
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’ – đường kính tính toán của đáy; mm
So sánh: Ống dẫn hơi thứ Dt = 150 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 (7 mm).
5.1.Sơ lược về cấu tạo
- Bu lông và bích được làm từ bằng thép CT3.
Mặt bích được sử dụng để kết nối nắp thiết bị với buồng bốc, buồng bốc với buồng đốt và buồng đốt với đáy thiết bị Đối với ứng dụng này, nên chọn bích liền bằng thép, kiểu 1 (theo bảng XIII.27, trang 417, [2]).
Các thông số cơ bản của mặt bích:
Dt – đường kính gọi; mm
D – đường kính ngoài của mặt bích; mm
Db – đường kính vòng bu lông; mm
D1 – đường kính đến vành ngoài đệm; mm
D0 – đường kính đến vành trong đệm; mm db – đường kính bu lông; mm
Z – số lượng bu lông; cái h – chiều dày mặt bích; mm
Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt:
- Buồng đốt và buồng bốc được nối với nhau theo đường kính buồng đốt
- Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,214 N/mm 2 Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,095 N/mm 2
⇒ 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 419, [2]:
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm mm cái mm mm
Mặt bích nối buồng đốt và đáy:
- Buồng đốt và đáy được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 600 mm.
- Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,214 N/mm 2 Áp suất tính toán của đáy là 0,15795 N/mm 2
⇒ Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm2 để bích kín thân.
- Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 422, [2]: ĐÁY – BUỒNG ĐỐT
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm mm cái mm mm
Mặt bích nối nắp và buồng bốc:
- Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng bốc Dt = 1600mm.
- Áp suất tính toán của buồng bốc và nắp cùng là 0,095 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]:
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm mm mm cái mm mm
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 tt = tD = 132,9 o C
- Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt là [σ] u ¿= 118 N/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:
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 (8-47), trang 181, [7]: h ' = D t K √ [ P σ 0 ] u = 1400.0,3 √ 0,1962 118 = 17,12 mm.
K = 0,3 – hệ số được chọn (trang 181, [7])
Dt – đường kính trong của buồng đốt; mm po – áp suất tính toán ở trong ống; N/mm 2
[σ] u – 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 (8-48), trang 181, [7]: h ' = D t K.√ [ σ P ] u φ 0 0
K = 0,45 – hệ số được chọn (trang 181, [7]) φDct0 – hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ. φ 0 = D n−¿∑ d D n ¿¿ 1.
Dn = 1400 mm – đường kính vỉ ống; mm Σd – tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ; mm Σd = 6.25+ 1400 = 1550 mm.
Kiểm tra bền vỉ ống: Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức (8-53), trang 183, [7]: σ u =
Trong đó: dn = 29 mm – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
2 .0,0406 0,03516 m = 35,16 mm – được xác định theo hình 8- 14,trang 182, [7] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều t = 0,0406 m – bước ống
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 (8-47), trang 181, [7]: h 1 ' = D t K √ [ P σ 0 ] u = 1400.0,3 √ 0,214 118 = 17,8 mm.
K = 0,3 – hệ số được chọn (trang 181, [7])
Dt – đường 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/mm 2
Với: ρddmax = ρdd (30 %, 120 o C) = 1261 kg/m 3 chọn h 1 ' = 20 mm.
- Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định theo công thức (8-48), trang 181, [7]: h ' = D t K √ [ σ P ] u φ 0 0 ⇒ h ' 00.0,45 √ 118.0,295 0,214 = 21,17 mm.
Kiểm tra bền vỉ ống: Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức (8-53), trang 183, [7]: σ u =
Vậy vỉ ống ở dưới buồng đốt là 20 mm.
7 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 xem xét các khối lượng thép cần thiết cho từng bộ phận của hệ thống, bao gồm: mđ - khối lượng thép làm đáy (kg), mn - khối lượng thép làm nắp (kg), mbb - khối lượng thép làm buồng bốc (kg), mbđ - khối lượng thép làm buồng đốt (kg), mc - khối lượng thép làm phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt (kg), mống TN - khối lượng thép làm ống truyền nhiệt (kg), và mống TH - 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: mbđ = ρ1.Vbđ = 7900.0,049 = 260,7 kg.
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: mbb = ρ1.Vbđ = 7900.0,049 = 387,1 kg.
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 là 1600 mm tương ứng với đường kính buồng bốc Dtl và đường kính trong nhỏ là 1400 mm tương ứng với đường kính buồng đốt Dtn.
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 = 5 mm.
Chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ) là Hc = 200 mm.
Chiều cao của phần gờ nón cụt là Hgc = 30 mm.
Thể tích thép làm phần hình nón cụt:
V c = 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
Khối lượng thép làm phần hình nón cụt: mc = ρ1.Vc = 7900.0,096 = 11,45 kg.
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: mđ = 1,01.27,5 = 27,775 kg.
Nắp ellipse được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Nắp ellipse tiêu chuẩn có:
⇒ Khối lượng thép làm nắp ellipse: mn = 1,01.42,5 = 42,925 kg.
7.6.Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm Ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm ống:
V ong = V ongTN + V ongTH = π [ n ' ( d n 2 −d l 2 ) + ( D nth 2 −D tth 2 ) ]
Khối lượng thép làm ống: mống = ρ1.Vống = 7900.0,19 = 1501 kg
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 0,025 = 0,015 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: mbích = ρ2.Vbích = 7850.0,094 = 737,9 kg
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.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.
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.
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.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc. dt = 1,4.db = 1,4.20 = 28 mm – đường kính trong của đai ốc. dn = 1,15.dt = 1,15.28 = 32,2 mm – đường kính ngoài của đai ốc.
Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:
H’ = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc. dt = 1,4.db = 1,4.20 = 28 mm – đường kính trong của đai ốc. dn = 1,15.dt = 1,15.28 = 32,2 mm – 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: mbu lông + mđai ốc = ρ2.ΣV = 7850.0,003082 = 24,19 kg
7.10 Vỉ ống Được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm vỉ ống:
Dt = 1400 mm – đường kính trong của buồng đốt. dn = 29 mm – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.
Dnth = 458 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 = 0,053 m 3 Khối lượng thép làm vỉ ống: mvỉ = ρ1.Vvỉ = 7900.0,053 = 418,7 kg
Chi tiết Loại thép Khối lượng (kg)
Phần hình nón cụt OX18H10T 11,45 Đáy nón OX18H10T 27,775
Nắp ellipse OX18H10T 42,925 ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm OX18H10T 1501
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
V đ – 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 mt – khối lượng 1 tai treo; kg
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
THIẾT BỊ GIA NHIỆT
- Chọn thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống.
- Dòng nhập liệu (dòng lạnh):
-Dòng hơi đốt (dòng nóng): T 2 ' = T 2 ' ' = 132,9 o C.
1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Để bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt, cần giảm tốc độ hơi đốt bằng cách chia thành nhiều miệng vào Tốc độ hơi đốt được chọn là nhỏ (ω = 10 m/s) và nước ngưng chảy màng do ống truyền nhiệt ngắn với chiều cao h0 = 1 m Hơi bão hòa tinh khiết ngưng trên bề mặt đứng Công thức áp dụng là α1 = 2,04.A.(H.∆rt)0,25, theo tài liệu trang 28, [4].
α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m 2 K).
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước 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 nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tw.
∆ t 1= t D −t v : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng, o C t w = t D 2 +t v
Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là t v = 130,5 0 C. t w = 132,9+ 2 130,5 = 131,1 0 C.
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q1=α1 ∆ t 1 = 12037,197.2,4 = 28889,27 W/m 2
2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi
Chất lỏng sôi nhẹ và chuyển động cưỡng bức nên hệ số cấp nhiệt này được tính theo các công thức của đối lưu cưỡng bức. chọn tv2 = 110 o C. tw = t v1 +t 2 v 2 = 130,5+ 2 110 = 120,25 o C.
Các thông số hoá lý của dung dịch NaOH 12% ở tw và t :
λ – hệ số dẫn nhiệt; W/(m.K): tra bảng I.130, trang 135, [1]
ρ – khối lượng riêng; kg/m 3 : 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/m 2 : tra bảng I.107, trang 100, [1]
Chọn tốc độ của dung dịch NaOH 12 % trong ống truyền nhiệt là v = 1 m/s. Đường kính trong của ống truyền nhiệt là d = 25 mm.
⇒ Áp dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt khi dòng chảy rối trong ống
3 Nhiệt tải riêng phía tường
Trong đó: Σrv – tổng trở vách ( m 2 K/W). Σrv = r1 + δ λ + r2 = 0,3448.10 -3 + 0,003 16,3 + 0,387.10 -3 = 0,9159.10 -3 ( m 2 K/W)
r1= 0.3448.10 -3 (m 2 K/W)– nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]).
r2 = 0,387.10-3 (m 2 K/W) – nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2]).
δ = 3 mm = 0,003 m – bề dày ống truyền nhiệt.
Hệ số dẫn nhiệt của ống bằng thép không gỉ OX18H10T là λ = 16,3 W/(m.K) (tham khảo bảng XII.7, trang 313, [2]) Chênh lệch nhiệt độ giữa hai vách tường được tính bằng Δtv = tv1 - tv2; K Trong quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định đảm bảo rằng qv = q1 = q2.
Sai số tương đối của q2 so với q1: δq =¿ q 2−¿ q q 1
|δq| < 5% nên sai số được chấp nhận (các thông số đã chọn phù hợp).
Nhiệt tải riêng trung bình: q tb = q 1 +q 2
Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt φDctDctD
Do dung dịch ra ở 139 o C Gccc t '' 1
4.2 Phương trình cân bằng nhiệt.
Có thể bỏ qua nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDctDctD = 0
Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φDct = 0,05 (độ ẩm của hơi).
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φDct)( 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) = rD = 2171 kJ/kg
(ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).
Thay Qtt = εQQD = 0,05QD và Gđ =Gc =G
⇒ Lượng hơi đốt biểu kiến:
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
Diện tích bề mặt truyền nhiệt :
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]: n = π d l F
F = 9,13 – diện tích bề mặt truyền nhiệt (m 2 ). l = 1 m – chiều dài của ống truyền nhiệt d – đường kính của ống truyền nhiệt.
Số ống truyền nhiệt là: n = 3,14.0,03.19,13 = 96,92
Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 91 và bố trí ống theo hình lục giác đều Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức V.140, trang 49, [2].
dn = dt + 2S = 0,03 + 2.0,003 = 0,036 m – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt t = β.dn = 1,4.0.031 = 0,0434 m – bước ống b = √ 4 3 ( n−1)+1 = √ 4 3 ( 91−1 )+1 = 11
( b - số ống trên đường xuyên tâm của lục giác).
Thể tích bình gia nhiệt:
Dung dịch chảy chậm trong ống nên thời gian truyền nhiệt lớn, chọn số pass phía vỏ m = 1.
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt dung riêng đầu vào cđ J/(kg.K) 3671
Nhiệt dung riêng đầu ra cc J/(kg.K) 3752
HƠI ĐỐT Áp suất pD at 3
Nhiệt độ tD oC 132,9 ẩn nhiệt ngưng tụ rD kJ/kg 2171
Chiều cao thiết bị gia nhiệt H m 1 Đường kính trong ống truyền nhiệt dt m 0,03 Đường kính ngoài ống truyền nhiệt dn m 0,036
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 254516,64
Lượng hơi đốt biểu kiến D Kg/s 0,1299
THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
1 Chọn thiết bị ngưng tụ
- Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:
Dung môi dễ bay hơi
Để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả, khí bổ sung cần được giải phóng nhằm tạo chân không Việc kết hợp thiết bị ngưng tụ với bơm chân không là điều cần thiết.
Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều với chân cao (baromet) để đảm bảo hiệu quả tối ưu Trong thiết bị này, nước làm lạnh và nước ngưng tụ sẽ chảy xuống, trong khi khí không ngưng sẽ được bơm hút ra từ phần trên thông qua bộ phận tách lỏng.
- Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thuỷ tĩnh bằng với áp suất khí quyển.
2 Tính thiết bị ngưng tụ
Theo bảng VII.1, trang 97, nhiệt độ trung bình không khí tại TPHCM đạt 27,2°C với độ ẩm tương đối là 77% Theo giản đồ h – x của không khí ẩm, giá trị enthalpy của không khí ẩm là 72,5 kJ/kg.
- Nhiệt độ bầu ướt được chọn là tư = 23 o C.
Nhiệt độ đầu của nước lạnh được chọn là t2d = 23 + 3 = 26 o C.
- Với pc = 1 at và tc = 85,5 o C:
Nhiệt độ cuối của nước lạnh được chọn là t2c = tc – 10 = 99 – 10 = 89 o C.
- Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng không khí cần hút được tính theo công thứcVI.47, trang 84, [2]:
Gn – lượng nước được tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, được tính theo công thức VI.51, trang 84, [2]:
W = 1689,45 kg/h – lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ. i = 2677 kJ/kg – nhiệt lượng riêng của hơi nước.
(bảng I.251,trang314,[1]) cn = 4180 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình của nước.
- Đối với thiệt bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí được tính theo công thức VI.50, trang 84, [2]: tkk = t2d + 4 + 0,1.(t2c – t2d) = 26 + 4 + 0,1.(89 – 26) = 36,3 o C
⇒ ph = 0,057 at (tra giản đồ h – x của không khí ẩm)
-Thể tích không khí cần hút được tính theo công thức VI.49, trang 84, [2]:
Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ:
Năng suất tính toán thường được chọn lớn hơn 1,5 lần so với năng suất thực tế, và đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức VI.52, trang 84, [2].
ρh = 0,579 kg/m 3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở 1 at
ωh = 20 m/s – tốc độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ (chọn)
-Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet được chọn theo bảng VI.8, trang 88, [2]:
Kích thước Ký hiệu Giá trị;mm Đường kính trong của thiết bị Dtr 250
Chiều dày của thành thiết bị S 2
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị ao 1000 Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến nắp thiết bị an 900
Bề rộng của tấm ngăn b -
Khoảng cách từ giữa tâm thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi K1 675
Chiều cao của hệ thống thiết bị K2 - Đường kính của thiết bị thu hồi T 1300
Chiều cao của thiết bị thu hồi D1 150 Đường kính của thiết bị thu hồi h1 1440 Đường kính các cửa ra và vào D2 -
Hỗn hợp khí và hơi vào d3 100
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d5 125
Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi d6 80
Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet d7 50 ống thông thiết bị d8 50
Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức VI.53, trang 85, [2]: b = D tr
Có nhiều lỗ nhỏ được đục trên tấm ngăn, nước làm nguội là nước sạch nên đường kính lỗ được chọn là d = 2 mm.
- Lưu lượng thể tích của nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ:
Nhiệt độ trung bình của nước: t tb = t 2 c −t 2 2đ = 89+ 2 26 = 57,5 o C.
Chọn chiều cao gờ tấm ngăn là h = 40 mm, chiều 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 lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên một cặp tấm ngăn là: f = G ω n c = 4,107 2,62 = 1,56 m 2
Tỷ số giữa tổng diện tích tiết diện các lỗ và diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ được chọn là f e f tb = 0,1 Các lỗ được sắp xếp theo hình lục giác đều, và bước của các lỗ được tính bằng công thức VI.55, trang 85, [2]: t = 0,866 (f tb f e) 0,5 = 0,866.2.0,1 0,5 = 0,000548 m, tương đương khoảng 0,55mm.
Mức độ đun nóng nước:
Tra bảng VI.7, trang 86, [2] với d = 2 mm và P = 0,774:
Khoảng cách giữa các ngăn h = 300 mm
Thời gian rơi qua một bậc τ = 0,35 s
Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần.
Do đó, khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn.
Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 300 mm.
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1000 mm.
Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị là 900 mm.
Chiều cao phần gờ của nắp là 100 mm.
Chiều cao phần nắp ellipse là 200 mm.
Chiều cao phần đáy nón là 125 mm.
⇒ Chiều cao của thiết bị ngưng tụ:
- Chọn đường kính trong của ống baromet là d = 100 mm = 0,1 m.
- Tốc độ của nước lạnh và nước ngưng tụ chảy trong ống baromet được tính theo công thức VI.57, trang 86, [2]: d = √ 0,004 π ω ( G n +W ) ⇒ ω = 0,004 π d ( G 2 n +W ) = 0,004.( 3,14 0,1 4,107 2 +1689,45 3600 ) = 0,06 m/s.
-Chiều cao ống baromet được tính theo công thức II-15, trang 102, [4]:
Chiều cao cột nước trong ống baromet được xác định bởi hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ, được tính theo công thức h1 = 10,33.760 b; m Trong đó, b là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ, với 1 at tương đương 735,5 mmHg.
Chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống h2 được tính theo công thức VI.60, trang87, [2]: h 2 = ω 2
2g ( 1 + λ H d + ∑) ; m. chọn hệ số trở lực khi vào ống = 0,5 và khi ra ống = 1 ⇒ ∑
Nước lạnh và nước ngưng tụ có : ttb = 57,75 o C. ρn = 984,4 kg/m 3 μn = 0,000489 Ns/m 2
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1])
⇒ độ nhám tuyệt đối là εQ = 0,2 mm.
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒ Re gh < Re < Re n (khu vực quá độ).
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: λ = 0,1 ( 1,46 d ε +100
Chọn chiều cao dự trữ h3 = 0,5 m để đề ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường ống dẫn hơi khi áp suất khí quyển tăng.
Chọn chiều cao của đoạn ống baromet ngập trong bể nước là h4 = 0,5 m.
Chọn chiều cao ống baromet là H’ = 11 m.
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ đầu vào t2đ oC 26
Nhiệt độ đầu ra t2c oC 89
Nhiệt dung riêng cn J/(kg.K) 4180
Lưu lượng khối lượng nước lạnh cần thiết nt Gn Kg/s 4,107 Lưu lượng thể tích nước lạnh cần ngưng tụ Vn m 3 /s 0,004807 Áp suất hơi bão hòa ph At 3
Lưu lượng khối lượng kk dc hút ra thiết bị Gkk Kg/s 0,004172 Lưu lượng thể tích không khí dc hút ra thiếtbị Vkk m 3 /s 0,004628
Nhiệt độ tkk oC 36,3 ĐƯỜNG KÍNH TRONG T/B NGƯNG TỤ
Tốc độ của hơi thứ ω h m/s 2 Đường kính trong Dtr mm 4
Chiều rộng tấm ngăn b mm 175 Đường kính lỗ trên tấm ngăn d mm 2
Bề dày tấm ngăn δ mm 4
CHIỀU CAO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
Mức độ đun nóng nước P 0,863
Tốc độ nước lạnh và nc ngưng chảy trong ống ω m/s 0,06 Đường kính trong của ống d mm 100 Độ chân không b mmHg 735,5
Chiều cao cột nước cân bằng h1 m 11
Hệ số trở lực vào 0,5
Hệ số trở lực ra
Khối lượng riêng của nước lạnh và nướcngưg ρ n Kg/m 3 984,4 Độ nhớt động lực μ n Ns/m 2 0,000489
BỒN CAO VỊ
Bồn cao vị đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định lưu lượng dung dịch nhập liệu, được lắp đặt ở độ cao thích hợp để vượt qua các trở lực của đường ống và cao hơn mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc.
- Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và 2 –2 (mặt thoáng của nồi cô đặc): z 1 + p γ 1 + α 1 2 v g 1 2 = z 2 + 2 p g 2 + α 1 v γ 2 2 + h 1−2
ρ = 1096,05 kg/m 3 – khối lượng riêng của dung dịch NaOH 12 % ở ttb = 84,5 o C(bảng 4, trang 11, [8])
μ = 0,008102 Ns/m 2 – 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 + Hbđ + Hgc + Hc = 1 + 1,3 + 2 + 0,03 + 0,1 = 4,43 m.
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
Hbđ = 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. Đường kính ống nhập liệu là d = 20 mm = 0,02 m.
Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc là l = 20 m.
Tốc độ của dung dịch ở trong ống: v =
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1])
⇒ độ nhám tuyệt đối là εQ = 0,2 mm.
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒ Re gh < Re < Re n (khu vực quá độ).
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: λ = 0,1 ( 1,46 d ε +100
Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào vào 0,5 1 Đầu ra ra 1 1
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 = v
⇒ khoảng cách từ mặ thoáng của bồn cao vị đến mặt đất: z 1 = z 2 + p 2 − γ p 1 + h 1−2
⇒ 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 trở lên.
Chọn khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là 5 m.
BƠM
η – hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75.
ρ = 1446,96 kg/m 3 – khối lượng riêng của dung dịch ở 134,654 o C
Q – lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ; m 3 /s.
- Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và
2 –2 (mặt thoáng của nồi cô đặc): z 1 + p γ 1 + α 1 2 v g 1 2 = z 2 + 2 p g 2 + α 1 v γ 2 2 + h 1−2
μ = 0,000245Ns/m 2 – độ nhớt động lực của nước ở 134,654 o C
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 đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là l = 5 m.
Tốc độ của dòng chảy trong ống: v =
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1])
⇒ độ nhám tuyệt đối là εQ = 0,2 mm.
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒ Regh < Re < Re n (khu vực quá độ).
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: λ = 0,1 ( 1,46 d ε +100
Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào vào 0,5 1 Đầu ra ra 1 1
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 = v
2.Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị
η – hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75.
ρ = 1126,3 kg/m 3 – khối lượng riêng của dung dịch ở 30 o C
Q – lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ; m 3 /s.
- Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và 2 –2 (mặt thoáng của nồi cô đặc): z 1 + p γ 1 + α 1 2 v g 1 2 = z 2 + 2 p g 2 + α 1 v γ 2 2 + h 1−2
μ = 0,000182 Ns/m 2 – độ nhớt động lực của nước ở 30 o C
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 chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là l = 7 m.
Tốc độ của dòng chảy trong ống: v =
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối là εQ = 0,2 mm.
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒ Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: λ = 0,1 ( 1,46 d ε +100
Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào vào 0,5 1 Đầu ra ra 1 1
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 = v
Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn Ký hiệu bơm là K.
CÁC THIẾT BỊ PHỤ
- Vật liệu chế tạo là thép CT3.
- Đường kính của cửa sửa chữa là D = 500 mm.
Cửa được thiết kế với mép dưới cao hơn mặt thoáng của dung dịch trong buồng bốc, nhằm ngăn chặn chất lỏng tràn ra ngoài Khoảng cách từ mép dưới cửa đến mặt thoáng của dung dịch được chọn là 0,45 m.
⇒ Khoảng cách từ mực chất lỏng đến tâm của cửa sửa chữa: h = 0,45 +0,5 2 =0,7m.
Vật liệu chế tạo là thép CT3. Đường kính quan sát là D = 230mm.
Kính được bố trí sao cho mực chất lỏng có thể được nhìn thấy Do đó, có 2 kính giống nhau ở 2 bên buồng bốc, tạo thành 180 o