GIỚI THIỆU
SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE
Surose, hay còn gọi là sucrose, là thành phần chính của mía và là sản phẩm quan trọng trong ngành công nghiệp đường Đây là một disacarit với công thức hóa học C12H22O11 và trọng lượng phân tử là 342,30 Sucrose được hình thành từ hai loại đường đơn, bao gồm α, D-glucose và β, D-fructose.
Hình 1 Công thức cấu tạo của sacaroza
Tinh thể đường sucrose trong suốt, không màu, nhiệt độ nóng chảy là 186 –
Khi được đun nóng đến 188 độ C, đường sẽ chuyển thành dạng sệt trong suốt Nếu tiếp tục đun lâu hơn hoặc ở nhiệt độ cao, đường sẽ mất nước và phân huỷ thành caramen Đường dễ dàng hòa tan trong nước nhưng không tan trong các dung môi như dầu hỏa, cloroform, benzen và ancol Độ nhớt của dung dịch đường tăng khi nồng độ tăng và giảm khi nhiệt độ tăng.
Dung dịch đường sucrose không chịu được nhiệt độ cao do chất tan dễ bị biến tính, vì vậy cần phải cô đặc ở nhiệt độ thấp tương ứng với áp suất cân bằng thấp, thường được gọi là áp suất chân không.
Như vậy, sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều để cô đặc dung dịch đường sucrose.
1.2 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ
CÔ ĐẶC 1.2.1 Giới thiệu chung về cô đặc
Cô đặc là quá trình tăng nồng độ của một hoặc nhiều cấu tử trong dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở dạng hơi Quá trình này giúp nồng độ của chất hòa tan không bay hơi trong dung dịch tăng lên.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang vii
Quá trình cô đặc thường diễn ra ở trạng thái sôi, trong đó áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch tương đương với áp suất làm việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa,…
Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể được sử dụng để đun nóng một thiết bị khác Khi sử dụng hơi thứ để đun nóng thiết bị ngoài hệ thống cô đặc, nó được gọi là hơi phụ.
Trong quá trình cô đặc, truyền nhiệt có thể được thực hiện theo hai phương pháp: trực tiếp và gián tiếp Phương pháp truyền nhiệt trực tiếp thường sử dụng khói lò để tiếp xúc trực tiếp với dung dịch, trong khi phương pháp gián tiếp sử dụng hơi bão hòa để tiến hành quá trình đốt nóng.
Quá trình cô đặc có thể diễn ra ở nhiều mức áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất thường, thiết bị hở có thể được sử dụng, trong khi đó, khi làm việc ở áp suất chân không hoặc áp suất dư, cần sử dụng thiết bị kín để đảm bảo hiệu quả và an toàn.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi.
Khi cô đặc một nồi, cần nén hơi thứ đến áp suất của hơi đốt để sử dụng lại nhiệt, điều này đòi hỏi thiết bị có bơm nhiệt Trong quá trình cô đặc nhiều nồi, dung dịch sẽ di chuyển từ nồi này sang nồi khác, với hơi thứ từ nồi trước cung cấp nhiệt cho nồi sau.
Có nhiều cách phân loại khác nhau, nhưng nhìn chung, có 6 loại được phân chia thành ba nhóm chính dựa trên đặc điểm cấu tạo.
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên.
+ Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài.
+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài.
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)
+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang viii
+ Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.
- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng.
+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài.
+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài.
1.2.3 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
Dung dịch trong ống truyền nhiệt khi hoạt động sẽ sôi và tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm, được đẩy lên trên miệng ống Trong khi đó, dung dịch trong ống tuần hoàn có thể tích lớn hơn trên mỗi đơn vị bề mặt truyền nhiệt, dẫn đến lượng hơi tạo ra ít hơn và khối lượng riêng của hỗn hợp hơi - lỏng ở đây lớn hơn Điều này tạo ra chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Tốc độ tuần hoàn cao giúp tăng cường khả năng cấp nhiệt của dung dịch và giảm thiểu hiện tượng đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị diễn ra liên tục cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu, sau đó sẽ mở van đáy để xả sản phẩm.
+ Thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sữa chửa và làm sạch.
+ Hệ số truyền nhiệt K khá lớn.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang ix
+ Khó bị đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cô đặc dung dịch dễ bị bẩn tắt.
+ Dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng.
- Nhược điểm : Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn trung tâm cũng bị đun nóng
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang x
THIẾT BỊ CHÍNH
CÂN BẰNG VẬT LIỆU
2.1.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ)
Chọn căn bản tính là 1 giờ cho cả hệ thống.
Cân bằng vật chất tổng quát:
Với: F, P, W: khối lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối, tổng lượng hơi thứ, kg/h
Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:
Với: x F , x P : nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối (% khối lượng)
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang
2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi
Gọi W 1 , W 2 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 và nồi 2, kg/h
Sau khi tính toán thực tế lượng hơi thứ của từng nồi (2), chúng ta sẽ xác định W1 và W2 để so sánh với các giá trị W1 và W2 theo giả thuyết ban đầu Nếu có sai số giữa lượng hơi thứ thực tế và lượng hơi thứ lý thuyết, điều này sẽ cần được xem xét và phân tích kỹ lưỡng.
Từ (1) và (2) ta giải hệ phương trình
2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi
P 1 : khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h) x 1 : nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng)
Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1:
Cân bằng vật chất tổng quát:
G = P 1 + W 1 ⇒ P 1 = G - W 1 = 1000 – 384,6 = 615,4 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:
Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 (x 2 ):
Nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 2 chính là nồng độ sản phẩm cuối x 2 = x P = 65% = 0,65
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang
Nồng độ trung bình nồi 1:
Nồng độ trung bình nồi 2:
CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
- Chọn áp suất hơi đốt P hđ1 = 1,232 at ứng với nhiệt độ hơi đốt T hđ1 = 105 o C
Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ được duy trì ở mức 55 độ C với áp suất 0,1605 at Hiệu số áp suất toàn hệ thống được tính bằng ΔP = P hd 1 − P ng, trong đó ΔP = Δ P 1 + Δ P 2 = 1,232 − 0,1605 = 1,0715 Điều này cho thấy hiệu số áp suất giữa hơi đốt vào nồi 1 và nồi 2 là 1,0715.
: Hiệu số áp suất giữa hơi đốt đi vào nồi 2 và tháp ngưng tụ:
Giả thiết tỉ số giữa hiệu số áp suât nồi 1 và nồi 2 là: ΔP 1 ΔP 2 =1, 7575
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xiii
Dựa vào các dữ kiện trên và [B – 39] – (II – 7) ta xác định được áp suất của hơi đốt và nhiệt độ của hơi thứ.
Bảng 1 Nhiệt độ và áp suất hơi của mỗi nồi
Loại Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngưng tụ
Nhiệt độ hơi đốt của nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ của nồi trước trừ đi 1°C, do tổn thất nhiệt trên đường ống Nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng được xác định bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1°C.
2.2.2 Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ
2.2.2.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ nâng cao (Δ’) Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisencô: Δ’ = Δ 0 ’.f , o C - Với: f ,2.
Trong công thức T m 2 r [AII – 59] – (VI.10), Δ 0 ’ đại diện cho tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường, có thể tra cứu từ [AII – 60] Do quá trình cô đặc có tuần hoàn dung dịch, cần tra theo nồng độ cuối và nhiệt độ hơi thứ Hệ số f là yếu tố hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường hoạt động ở áp suất khác với áp suất thường Ngoài ra, r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi tại áp suất làm việc, được tính bằng J/kg theo [B – 39] – (II – 7).
T m : nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (= nhiệt độ hơi thứ), K
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xiv
Dựa vào các dữ kiện và sổ tay quá trình cùng thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2, chúng ta có thể xác định tổn thất do nhiệt độ nâng cao.
Bảng 2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao Đại lượng x (%) T ht
Với: T m = T ht + 273; ’ o tra từ ( http://www.sugartech.co.za/bpe/index.php) 2.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, Δ’’
Hình 2 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang
3: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt.
4: Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch.
Nhiệt độ sôi của dung dịch và hơi thứ trên bề mặt là yếu tố quan trọng trong quá trình bốc hơi Nhiệt độ hơi thứ tại thiết bị ngưng tụ cũng cần được chú ý Áp suất hơi thứ của dung dịch thay đổi theo chiều sâu: ở bề mặt, áp suất này tương đương với áp suất hơi trong buồng bốc, trong khi ở đáy, nó bao gồm áp suất trên bề mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch Trong các tính toán, thường sử dụng áp suất trung bình của dung dịch để đảm bảo độ chính xác.
Ta có công thức tính áp suất trung bình của dung dịch như sau:
Áp suất hơi trên bề mặt dung dịch (P’) được xác định bằng đơn vị N/m², trong khi áp suất thủy tĩnh (ΔP) được tính từ mặt dung dịch đến giữa ống với cùng đơn vị Chiều cao của lớp dung dịch sôi (h1) được đo từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, và chiều cao của dung dịch trong ống (h2) cũng được xác định bằng mét Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (ρs) có đơn vị kg/m³, trong khi gia tốc trọng trường (g) được lấy là 9,81 m/s².
Nếu biết được áp suất thủy tĩnh ta sẽ tính được áp suất trung bình (P tb ) ở từng nồi
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xvi
Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh ở các nồi được xác định bằng hiệu số giữa nhiệt độ trung bình (T tb) và nhiệt độ của dung dịch trên mặt thoáng (T mt).
Chọn chiều cao lớp dung dịch sôi từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch ở nồi 1 và nồi 2 bằng nhau với h1 = 0,5 m Chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt là h2 = 1 m.
Khối lượng riêng được tra dựa vào nồng độ trung bình và ứng với nhiệt độ hơi thứ từ (http://rpaulsingh.com/teaching/Density1.htm).
Bảng 3 Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh Đại lượng x tb
Nồi 2 44,685 56 1184,6 592,3 0,063 0,2235 62 6 Nhiệt độ trung bình T tb tra [B – 39] – (II – 7) dựa vào áp suất trung bình P tb
2.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn, Δ’’’
Trong quá trình vận hành hệ thống ống dẫn hơi, thường chấp nhận tổn thất nhiệt giữa các nồi hơi và thiết bị ngưng tụ với giá trị Δ’’’ từ 1 đến 1,5 °C Để đảm bảo hiệu suất, giá trị Δ 1 ’’’ và Δ 2 ’’’ được chọn là 1 °C.
2.2.2.4 Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc, ΣΔ
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xvii
Bảng 4 Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc Nồi ' ( o C) '' ( o C) ''' ( o C) ( o C)
Vậy tổng tổn thất chung là: ΣΔ = (Δ 1 ’ + Δ 2 ’) + (Δ 1 ’’ + Δ 2 ’’) + (Δ 1 ’’’ + Δ 2 ’’’) = 12,981 o C.
2.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δt hi và nhiệt độ sôi dung dịch
Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch
- Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1:
- Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2:
2.2.3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi Δt hi = T hđ – T s , ( o C) [AII – 67] – (VI.17)
T hđ : nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi.
T s : nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi
- Đối với nồi 1: Δt hi1 = T hđ1 – T s1 = 105 – 86 = 19 o C
- Đối với nồi 2: Δt hi2 = T hđ2 – T s2 = 82,08 – 64,1 = 18 o C Vậy tổng số nhiệt độ hữu ích: = 19 + 18 = 37 o C
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xviii
2.2.4 Xác định nhiệt dung riêng dung dịch
Giá trị nhiệt dung riêng của dung dịch nước táo được tra dựa vào nồng độ dung dịch ứng với nhiệt độ của dung dịch ở từng thời điểm từ
(http://rpaulsingh.com/problems/what_if/specheat.html)
T đ , T s1 ,T s2 : nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, ( o C ) x đ , x tb1 , x tb2 : nồng độ dung dịch ban đầu, nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi
Bảng 5 Nhiệt dung riêng của dung dịch nước khóm Dung dịch x (%) T s ( o C) Nhiệt dung riêng (J/kg.độ)
2.2.5 Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi
+ Không lấy hơi phụ (toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2) + Không có tổn thất nhiệt ra môi trường
+ Bỏ qua nhiệt cô đặc (hay nhiệt khử nước) Chọn nhiệt độ tham chiếu là 0 o C
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xix
Hình 3 Sơ đồ khối hệ thống cô đặc 2 nồi
Phương trình cân bằng năng lượng:
D: khối lượng hơi đốt cho hệ thống trong 1 giờ, kg/h
W 1 , W 2 : khối lượng hơi thứ nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h
G đ , G 1 , G 2 : khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 trong 1 giờ, kg/h
C đ , C 1 , C 2 : nhiệt dung riêng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, J/kg.độ
T đ , T s1 , T s2 : nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, o C i đ , i 1 , i 2 : enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2, J/kg
C n1 và C n2 là nhiệt dung riêng của nước ngưng tại nồi 1 và nồi 2, được đo bằng J/kg.độ Các tham số θ 1 và θ 2 đại diện cho nhiệt độ của nước ngưng tại nồi 1 và nồi 2, tương ứng với nhiệt độ hơi đốt của nồi 1 và nồi 2 Nhiệt độ hơi đốt của nồi 2 được tính bằng nhiệt độ hơi của nồi 1 trừ đi 1 độ C.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xx
Bảng 6 Các thông số về năng lượng
- C n được tra từ (http://rpaulsingh.com/teaching/properties.htm) dựa vào nhiệt độ hơi đốt.
- i được tra từ [ B −39 ] -(II-7) theo nhiệt độ dung dịch tương ứng.
- T dd là nhiệt độ của dung dịch tương ứng, o C.
Thay các số liệu trong bảng 6 vào 2 phương trình cân bằng năng lượng (a) và (b) trên Giải hệ phương trình (a), (b) và (c) ta được các thông số sau:
Lượng hơi thứ tiêu tốn chung là: D = 601,9 kg/h
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là: W 1 = 393,7 kg/h
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là: W 2 = 375,5 kg/h
2.2.6 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi
< 5% thì chấp nhận Trong đó:
W L : lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị lớn
W n : lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị nhỏ
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxi
Vậy giả thiết ban đầu được chấp nhận.
TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT
D: lượng hơi đốt cho mỗi nồi, kg/s r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt mỗi nồi, J/kg
Bảng 7 Lượng nhiệt do hơi cung cấp
(Lượng hơi đốt nồi 2 là lượng hơi thứ nồi 1)
2.3.2 Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi
, W/m 2 độ q tb : nhiệt tải riêng trung bình, W/m 2 Δt hi : hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết, o C
2.3.2.1 Nhiệt tải riêng trung bình q tb = q 1 +q 2
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxii tbh tw1 tw2 Ts q q1 q2
Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch được mô tả bằng các yếu tố như nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt (q), nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ (q1) và nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi (q2) Nhiệt độ hơi nước bão hòa, tbh, được sử dụng làm hơi đốt, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Nhiệt độ sôi của dung dịch được ký hiệu là T_s, đo bằng độ C Trong quá trình này, t_w1 và t_w2 lần lượt là nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ và phía dung dịch sôi, cũng được đo bằng độ C Δt_1 được tính bằng t_bh – t_w1, trong khi Δt_2 là t_w2 – T_s Tổng nhiệt trở của thành ống đốt được ký hiệu là Σr, có đơn vị là m².K/W Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và phía dung dịch sôi lần lượt được ký hiệu là α_1 và α_2, với đơn vị W/m².độ.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang
Do chưa có giá trị hiệu số nhiệt độ, ta cần giả sử Δt 1 để tính toán nhiệt tải riêng Sau đó, cần kiểm tra lại bằng cách so sánh q 1 và q 2 Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn 5%, giả thiết sẽ được chấp nhận.
2.3.2.2 Tổng nhiệt trở của thành ống đốt Σr Σr = r 1 + δ λ + r 2 , m 2 K/W [AII – 3] r 1 : nhiệt trở trung bình của hơi nước (có lẫn dầu nhờn) r 1 = 0,232.10 -3 m 2 K/W r 2 : nhiệt trở trung bình lớp cặn bẩn; r 2 = 0,387.10 -3 m 2 K/W [AII – 4] δ: chiều dày thành ống đốt, m λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ
Khi chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt, thép CT3 được xác định với hệ số dẫn nhiệt λ = 50 W/m.độ Nhiệt trở trung bình của hơi nước có lẫn dầu nhờn là r1 = 0,232.10 -3 m2.độ/W, trong khi nhiệt trở trung bình của lớp cặn bẩn là r2 = 0,387.10 -3 m2.độ/W Độ dày ống được chọn là δ = 2,108 mm (tương đương 2,108.10 -3 m), với đường kính ngoài là dng = 101,6 mm (tương đương 101,6.10 -3 m).
Đường kính trong: d tr = d ng – 2.δ = 97,384.10 -3 m (http://www engineeringtoolbox com/nominal-wall-thickness-pipe-d_1337.html ) Vậy: Σr = r 1 + δ λ + r 2 Σr = 0,232.10 -3 + 2,108.10 50 −3 + 0,387.10 -3 = 0,000661 m 2 độ/W
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxiv
2.3.2.3 Hệ số cấp nhiệt α 1 , α 2 a α 1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m 2 độ
Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng) trên bề mặt đứng, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:
, W/m 2 K [AII – 28] – (V.101) A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng, T m [AII – 28] – (V.101)
T m = 0,5 (t bh + t w1 ) t w1 : nhiệt độ bề mặt ống đốt phía hơi ngưng tụ, o C t bh : nhiệt độ hơi bão hòa dùng làm hơi đốt (nhiệt độ hơi đốt), o C Δt 1 = t bh – t w1
Bảng 8 Nhiệt tải riêng q 1 phía hơi ngưng
Để đảm bảo tính chính xác trong quá trình kiểm tra, cần thực hiện các bước tự chọn và so sánh với thực tế Nếu tỷ lệ sai số nhỏ hơn 5%, kết quả sẽ được chấp nhận Đối với việc kiểm tra theo nhiệt độ hơi đốt, tham khảo từ tài liệu [B– 39] – (II-7) là cần thiết Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, ký hiệu là α2, được đo bằng đơn vị W/m².độ.
Khi dung dịch (với dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mạnh mẽ trong ống, hệ số cấp nhiệt được xác định bằng hệ số cấp nhiệt của nước α n thông qua công thức: α 2 =α n ( λ λ dd n ) 0,565 [ ( ρ ρ dd n ) 2 ( C C dd n )( μ μ dd n ) ] 0,435 [AII – 71] – (VI.27).
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxv
Chỉ số dd đại diện cho dung dịch, trong khi chỉ số n đại diện cho nước Hệ số dẫn nhiệt λ được đo bằng W/m.độ, khối lượng riêng ρ tính bằng kg/m³, nhiệt dung riêng C là J/kg.K, và độ nhớt động lực μ được tính bằng m.Pas.
Hệ số cấp nhiệt của nước khi sôi sủi bọt và đối lưu tự nhiên trong khoảng áp suất 0,2 ÷ 100 at được xác định bằng công thức: α n E , 3 ( Δt 2 ) 2,33 p 0,5 , W/m 2 độ Trong đó, Δt 2 được tính bằng t w2 – t dds, với p là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (tương đương với áp suất hơi thứ), và T là nhiệt độ sôi của dung dịch tính bằng Kelvin Ngoài ra, có mối quan hệ q w = q 1 dẫn đến Δt w = t w1 - t w2 = q w Σr = q 1 Σr.
Từ Δt w ta suy ra được Δt 2 và tính được α n :
Bảng 9 Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi Nồi P, at Δt w , o C t w2 , o C Δt 2 , o C α n , W/m 2 độ
Bảng 10 Nhiệt tải riêng q 2 phía dung dịch sôi λ,
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxvi
Ta tính được hệ số truyền nhiệt K và kiểm tra lại hiệu số nhiệt độ hữu ích.
2.3.2.4 Hiệu số hữu ích thực tế của mỗi nồi Δt hi = Q i
Kiểm tra hệ số hữu ích lý thuyết và thực tế, nếu tỉ lệ kiểm tra sai số nhỏ hơn 5% thì chấp nhận:
Chấp nhận Δt hi( lon ) : Hiệu số hiệu ích có giá trị lớn. Δt hi(nho ) : Hiệu số hiệu ích có giá trị nhỏ.
Nếu sai số > 5% thì phải giả thiết lại phân phối hiệu số áp suất giữa các nồi và tính lại từ đầu.
Bảng 11 Hiệu số nhiệt độ hữu ích
Vậy điều kiện bề mặt truyền nhiệt 2 nồi bằng nhau được thỏa mãn
Bảng 12 Bề mặt truyền nhiệt Nồi Q, W K, W/m 2 độ Δt hi tính, o C F, m 2 F+10%.F,
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxvii m 2
KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT
n= F π d l , ống F: bề mặt truyền nhiệt, m 2 ( F = 27,354 m 2 ) d: đường kính ống truyền nhiệt, m, ở đây α 1 >α 2 nên chọn đường kính trong (d tr = 97,384 mm = 97,384.10 -3 m) l: chiều dài ống truyền nhiệt, m (l = h 2 = 1m) n= π d.l F = 27,354 π 97,384.10 −3 1 ,41 ống Tra chuẩn: n = 91 ống [B – 37] – (Bảng II)
Vậy chọn bố trí ống theo hình lục giác đều, xếp đầy các hình viên phân.
2.4.2 Ống tuần hoàn trung tâm
2.4.2.1 Đường kính ống tuần hoàn
D th = √ 4f π th , m [B – 121] – (III-26) f th : tiết diện ngang ống tuần hoàn (khoảng 15 ÷ 20% tổng tiết diện ngang các ống truyền nhiệt), m 2 [AII – 75]
Chọn f th = 15% tổng tiết diện ngang các ống truyền nhiệt
4 , m 2 d ng : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxviii d ng = 101,6 mm = 101,6.10 -3 m
Chọn vật liệu làm ống tuần hoàn là thép CT3, chiều dày 4 mm
2.4.2.2 Số ống truyền nhiệt danh nghĩa
Số ống nằm trong lòng ống tuần hoàn trung tâm được tính dựa trên đường kính ống tuần hoàn, mà cụ thể là đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt Việc xác định số ống truyền nhiệt danh nghĩa là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
D th = t(b – 1) + 4.d ng , m [AII – 49] – (V.140) t: bước ống, m Thường chọn t = 1,2 ÷ 1,5.d ng d ng : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m Chọn t = 1,3d ng = 1,3.101,6.10 -3 = 0,132 m b: số ống trên đường chéo của hình lục giác đều
Tra chuẩn: b = 3, ứng với số ống truyền nhiệt danh nghĩa là 7 ống [AII – 48] – (V.11)
Số ống còn lại: n’ = 91 - 7 = 84 ống
Số ống này vẫn đảm bảo đủ bề mặt truyền nhiệt, vậy ta lắp đặt 84 ống.
* Bề mặt truyền nhiệt thực tế:
, m 2 n’: là số ống truyền nhiệt còn lại do lắp ống tuần hoàn.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxix l: Chiều dài ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn, m.
* Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt
, chấp nhận Nếu > 5% thì phải xác định lại.
- F tt : là bề mặt truyền nhiệt thực tế (gồm ống tuần hoàn).
- F lt : là bề mặt truyền nhiệt lý thuyết (chưa kể ống tuần hoàn).
2.4.3 Đường kính trong buồng đốt
Bố trí ống theo hình lục giác đều, đường kính trong buồng đốt được tính theo công thức:
D bđ = √ 0,4β 2 sin6 0 ψ l 0 F d ng + ( D th +2 β d ng ) 2 , m [AII – 74] – (VI.40)
= t/d ng , với t là bước ống Do ở trên chọn t = 1,3.d ng ⇒ = 1,3 d ng : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, d ng = 101,6 mm = 101,6.10 -3 m
: hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường = 0,7 ÷ 0,9 ⇒ Chọn = 0,9 l: chiều dài ống truyền nhiệt, l = 1 m
KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxx
D bb = √ 4V π H kgh kgh , m [AII – 72] – (VI.35)
V kgh : thể tích không gian hơi, m 3
V kgh = W ρ h U tt , m 3 [AII – 71] – (VI.32) W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h
Cường độ bốc hơi thể tích (U tt) là lượng hơi nước bốc hơi trên một đơn vị thể tích không gian hơi trong một đơn vị thời gian, được đo bằng m³/m³.h Ở áp suất thường, U tt dao động từ 1600 đến 1700 m³/m³.h, tuy nhiên, áp suất hơi thứ có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị này Do thiếu dữ liệu hiệu chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 1 atm, U tt có thể được chọn là 1600 m³/m³.h.
h : khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m 3
H kgh : chiều cao không gian hơi, m
H kgh = 4V kgh π D bb 2 , m [AII – 72] – (VI.34)
Khảo sát được tiến hành theo cách thức chọn D bb , sau đó tính H kgh Thường đường kính buồng bốc lớn hơn đường kính buồng đốt không quá 0,6m.
Bảng 13 Kích thước buồng bốc Nồi
0 C Áp suất hơi thứ, at
Do dung dịch chiếm h 1 = 0,5 m chiều cao buồng bốc nên tổng chiều cao tối thiểu buồng bốc là: H bb = H kgh + h 1 = 0,84 + 0,5 = 1,34 m
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxi
Do đó chọn tổng chiều cao buồng bốc 2 nồi đều là 1,8 m.
Vậy ta có: D bb =1,8 m ; H bb = 1,8 m
ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN
Đường kính trong các ống dẫn và cửa ra vào thiết bị được xác định theo công thức: d= √ 0,785 V S ω , m [AII – 74] – (VI.42)
V S : lưu lượng khí (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m 3 /s.
: tốc độ thích hợp của (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m/s.
2.6.1 Đối với dung dịch và nước ngưng
G ρ , m 3 /s G: khối luợng dung dịch, nước ngưng đi trong ống, kg/s
: khối lượng riêng dung dịch, nước ngưng ở nhiệt độ tương ứng, kg/m 3
2.6.2 Đối với hơi bão hòa
V s = G.v”, m 3 /s G: khối lượng hơi đi trong ống, kg/s v”: thể tích riêng của hơi ở nhiệt độ tương ứng, m 3 /kg
Bảng 14 Kích thước các ống dẫn
V S , , m/s d, d chuẩn , mm dày, Bề kg/h m 3 /s m mm Ống nhập liệu 1000 1013.8 0.000273997 0.5 0.02642 36.626 2.769 Ống tháo sản phẩm
Nồi 1 615.4 1040.5 0.000164291 0.5 0.02046 27.863 2,769 Nồi 2 230.8 1153.6 0,000055748 0.5 0.01190 17.120 2.108 Ống dẫn hơi đốt 601.9 1.421 0.237583306 20 0.1230 134.492 3.404 Ống dẫn Nồi 1 393.7 3.025 0.330817361
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxii
(http://www.engineeringtoolbox.com/nominal-wall-thickness-pipe-d_1337.html)
TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất làm việc ( o C) 86 64,1
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình Q (W) 375823,47 251835,75
Lượng hơi đốt cần thiết (kg/h) 393,7 375,5
Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ (W/m 2 độ) 12840,1 12070,4
Hệ số cấp nhiệt (W/m 2 độ) 1765,85 1037,43
Số ống truyền nhiệt (ống) 91 91
Chiều cao ống truyền nhiệt (m) 1 1
Chiều dày thành ống (mm) 2,108 2,108 Đường kính buồng đốt (mm) 1600 1600 Đường kính buồng bốc (mm) 1800 1800
Chiều cao buồng bốc (mm) 1800 1800
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxiii
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxiv
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET
LƯỢNG NƯỚC LẠNH CẦN THIẾT ĐỂ NGƯNG TỤ
Để tính toán lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, ta sử dụng các thông số sau: G n (lượng nước lạnh cần thiết, kg/s), W (lượng hơi ngưng tụ vào thiết bị, kg/s), i (hàm nhiệt của hơi ngưng, J/kg), và t 2đ, t 2c (nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, độ C).
C n : nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ Ở đây W = W 2 = 375,5 kg/h = 375,5 3600 kg/s = 0,1044/s Chọn t 2đ = 28 o C, t 2c = 40 o C, nhiệt độ trung bình = (28+40)/2 = 34 o C
THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG CẦN HÚT RA KHỎI BAROMET
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxv
KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
Hình 5 Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet
1- cửa vào nước lạnh 4- cửa hơi vào
2- ống thông với thiết bị thu hồi 5- ống Baromet 3- tấm ngăn
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxvi
D ba =1,383 √ ρ h W ω h , m [AII – 84] – (VI.52) W: lượng hơi ngưng tụ, W = 0,1044 kg/s
h : khối lượng riêng của hơi ngưng tụ ở 55 o C, h = 0,1043 kg/m 3 [B – 39]
Tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ, được đo bằng m/s, cần được điều chỉnh theo áp suất làm việc Nếu thiết bị hoạt động ở áp suất khoảng 0,1 ÷ 0,2 atm, tốc độ nên chọn trong khoảng 55 ÷ 35 m/s Đối với áp suất từ 0,2 ÷ 0,4 atm, tốc độ thích hợp là 35 ÷ 15 m/s Với áp suất làm việc cụ thể của thiết bị ngưng tụ là 0,1605 atm, cần chọn tốc độ phù hợp để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dựa vào dãy đường kính chuẩn của thiết bị ngưng tụ [AII – 88] – (VI.8) Chọn: D ba
- Tấm ngăn có dạng hình viên phân, để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn b có thể được xác định như sau: b= D ba
D ba : đường kính trong thiết bị ngưng tụ, D ba = 500 mm
Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ: Nếu nước làm nguội là nước sạch nên lấy đường kính các lỗ bằng 2 mm, nếu nước bẩn là 5mm
Chọn đường kính lỗ 5 mm
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxvii
- Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên 1 cặp tấm ngăn là: f= G n ω c , m 2 [AII – 85] – (VI.54)
Với: G n : lưu lượng nước, m 3 /s Ở nhiệt độ trung bình 34 0 C, khối lượng riêng của nước là 994,34 kg/m 3
c : tốc độ của tia nước, m/s Tốc độ tia nước khi chiều cao gờ của tấm ngăn là 40 mm thì c = 0,62 m/s [AII – 85] Ở đây ta chọn c = 0,62 m/s
- Chọn chiều dày tấm ngăn = 4 mm [AII – 85]
Các lỗ được sắp xếp theo hình lục giác đều với bước lỗ được xác định bằng công thức t = 0,866d (f e / f tb)^(1/2), trong đó d là đường kính lỗ (đã chọn là 5 mm) Tỉ số giữa tổng diện tích tiết diện các lỗ và diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ thường nằm trong khoảng 0,025 đến 0,1, và trong trường hợp này, ta chọn f e / f tb = 0,03.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxviii
3.3.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ
Mức độ đun nóng được xác định theo công thức:
Dựa vào mức độ đun nóng với đường kính lỗ 2 mm, tra bảng [AII – 86] - (VI.7) ta có:
- Khoảng cách trung bình giữa các ngăn: 300 mm
Tra bảng [AII –88] – (VI.8) với đường kính trong D ba = 500 mm ta có những kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet như sau:
Bảng 16 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet Các thành phần của thiết bị ngưng tụ Kích thước
Chiều dày thành thiết bị S = 5 mm
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị a = 1300 mm Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy P = 1200 mm
Bề rộng của tấm ngăn b = 300 mm
Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ với thiết bị thu hồi K 1 = 675 mm
Chiều cao của hệ thống thiết bị H = 4300 mm
Chiều rộng của hệ thống thiết bị T = 1300 mm Đường kính thiết bị thu hồi D 1 = 400 mm
Chiều cao thiết bị hu hồi h = 1440 mm Đường kính các cửa ra và vào:
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xxxix
Hỗn hợp khí và hơi ra d 3 = 80 mm
Nối với ống Baromet d 4 = 125 mm
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi có đường kính 5 là 80 mm, trong khi hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi có đường kính 6 là 50 mm Đường kính ống Baromet nối từ thiết bị thu hồi là 50 mm.
, m [AII – 86] – (VI.57) W: lượng hơi ngưng, W = 0,1044 kg/s (đã tính ở trên)
G n : lượng nước lạnh tưới vào tháp, G n = 5,045 kg/s (đã tính ở trên)
: tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s; thường lấy 0,5 ÷ 0,6 m/s Ta chọn = 0,5 m/s.
Chọn đường kính chuẩn của ống baromet là 135,762 mm và chiều dày là 2,769 mm (http://www.engineeringtoolbox.com/asme-steel-pipes-sizes-d_42.html)
H = h 1 + h 2 + 0,5 (1) Trong đó: h 1 : chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số áp suất trong thiết bị ngưng tụ và khí quyển.
Chiều cao cột nước trong ống Baromet là yếu tố quan trọng để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống Công thức tính chiều cao cột nước là h = 1,33 (760 P0), trong đó P0 là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ tính bằng mmHg Để tính P0, ta sử dụng công thức P0 = (1 - Png) × 760, với Png = 0,1605, từ đó P0 được tính là 638,02 mmHg.
h 1 = 10,33 ( 760 P 0 ) = 10,33 638,02 760 = 8,672 m h 2 = ( 1+ λ D H ba + ∑ ξ ) 2 ω 2 g , m [AII – 87] – (VI.60) (2) Với: : hệ số ma sát ( = 0,02 ÷ 0,035) (chọn = 0,03). Σ = 1 + 2 : tổng trở lực cục bộ.
1 : hệ số trở lực khi vào ống (chọn 1 = 0,5).
2 : hệ số trở lực khi ra ống (chọn 2 = 1).
: tốc độ của nước lạnh và nước ngưng chảy trong thiết bị ( ¿ 0,5 ÷ 0,6 m/s) chọn = 0,5
Thay dữ liệu vào (1) và (2) và giải hệ ta được: H = 8,704 m
Để ngăn ngừa hiện tượng nước dâng lên trong ống và chảy vào ống dẫn hơi khi độ chân không tăng cao, ngay cả khi mực nước đạt 10,33 m, cần áp dụng các biện pháp kỹ thuật hiệu quả.
Chọn: H ba m Chọn vật liệu làm ống là thép CT3
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xli
TÍNH CƠ KHÍ
CHIẾU DÀY THIẾT BỊ
4.1.1.1 Buồng đốt a Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong
Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức:
50 có thể bỏ qua p ở mẫu số
D t : đường kính trong buồng đốt, D t = 1,6 m
Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc được xác định là = h = 0,95, dựa trên tài liệu [AII – 362] - (XIII.8) Cần lưu ý rằng số bổ sung C phải được tính đến do ảnh hưởng của ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày.
C 1 : số bổ sung do ăn mòn, đối với vật liệu bền (0,05÷0,1 mm/năm) Chọn C 1 = 1 mm
C 2 : số bổ sung do hao mòn, khi tính toán thiết bị hóa chất có thể bỏ qua C 2
C 3 : số bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, chọn C 3 = 0,6 mm [AII – 364] - (XIII.9)
C = C 1 + C 2 + C 3 = 1 + 0 + 0,6 = 1,6 mm P: áp suất trong thiết bị, N/m 2
- Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi – lỏng, áp suất được tính như sau:
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xlii
P mt : áp suất của hơi trong thiết bị, N/m 2
P 1 : áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, được tính theo công thức:
1 : khối lượng riêng chất lỏng (ở 105 o C), 1 = 954,69 kg/m 3
H 1 : chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H 1 = 1 m g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2
* Tính ứng suất cho phép []:
Khi lựa chọn vật liệu thiết kế là thép CT3, cần xác định ứng suất cho phép của thép CT3 dựa trên giới hạn bền Để có kết quả chính xác, hãy lấy giá trị nhỏ nhất từ các công thức tính toán liên quan.
[ k ], [ c ]: ứng suất cho phép khi kéo, khi chảy, N/m 2
: hệ số điều chỉnh n k , n c : hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo và theo giới hạn chảy
k , c : giới hạn bền khi kéo, giới hạn chảy, N/m 2 Tra từ [AII – 356] – (XIII.2) ta được = 0,9
Tra từ [AII – 356] – (XIII.3) ta được n k = 3,5; n c = 2,0 Tra từ [AII – 356] – (XIII.4) ta được:
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xliii
Chọn số nhỏ thế vào [ σ ] p ϕ= 97714000 130224,7089 0,95 = 712,832 > 50 nên bỏ qua p ở mẫu.
* Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
, N/m 2 [AII – 365] – (XIII.26) Áp suất thử tính toán P 0 được xác định theo công thức:
P th : áp suất thử thủy lực, N/m 2
Ta có: P th = 1,5.P mt = 1,5 120859,2 = 181289N/m 2 [AII – 358] – (XIII.5)
P 1 : áp suất thử thủy tĩnh của cột chất lỏng, P 1 = 9365,5089 N/m 2
Vậy S = 3 mm là đạt yêu cầu b Đáy buồng đốt Đáy hình elip có gờ, làm việc chịu áp suất trong, bằng thép CT3
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xliv
Hình 6: Mặt cắt đáy buồng đốt
Chiều dày đáy được tính theo công thức:
[ σ k ] p k ϕ h ≥30 có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số
D t : đường kính trong buồng đốt, D t =1,6 m p: áp suất trong buồng đốt, P = 130224,7089 N/m 2 h b : chiều cao phần lồi của đáy, tra từ [AII – 382] – (XIII.10) ứng với
D t = 1,6 m có h b = 0,4 m k: hệ số không thứ nguyên, d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,15m
h : hệ số bền, h = 0,95 [ k ]: ứng suất cho phép, tính tuơng tự như trường hợp thành buồng đốt
[ k ] = 97,714.10 6 N/m 2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10 -3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xlv
Thêm 2 mm khi S – C 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm > S – C > 10 mm
130224,7089 0,90625.0,95 = 646 > 30 nên bỏ qua P ở mẫu số.
S – C = 2,9 – 1,6 = 1,3 mm < 10 mm Vậy thêm 2 mm vào C, khi đó S = 2,9 + 2 = 4,9 mm
* Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
, N/m 2 [AII – 385] – (XIII.49) Với áp suất thử: P 0 = 190654,5089 N/m 2
1,2 0.1 0 6 Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu
4.1.1.2 Buồng bốc a Thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất ngoài, bằng thép CT3
Kiểm tra các điều kiện:
( p E n t D l ) 0,4 ≤0,523 l: chiều dài (chiều cao) tính toán thiết bị, l = H bb = 1,8 m
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xlvi
D: đường kính trong buồng bốc, D bb = 1,8 m
P n : áp suất tính toán bên ngoài, bằng hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất hơi thứ bên trong, N/m 2
E t : module đàn hồi ở nhiệt độ thành, E t = 185.10 9 N/m 2
Khi các điều kiện được thỏa, do các loại thép có hệ số Poatxông = 0,3 nên có thể tính chiều dày theo công thức sau:
S= 1,25 D ( p E n t D l ) 0,4 +C , m [AII – 370] – (XIII.32) C: số bổ sung, tính như trường hợp buồng đốt, C = 1,6.10 -3 m
Chọn S = 7 mm b Nắp buồng bốc
Nắp hình elip có gờ, làm việc chịu áp suất ngoài, bằng thép CT3
Chiều dày nắp được xác định theo công thức:
[ σ n ] p n k k 1 ϕϕ h ≥30 có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số
D t : đường kính trong buồng bốc, D t = 1,8 m
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xlvii
Áp suất tính toán bên ngoài (P n) là 44243,1 N/m² Chiều cao phần lồi của nắp (h b) được tra từ bảng XIII.10, ứng với đường kính (D t) 1,8 m, cho h b = 0,45 m Hệ số không thứ nguyên (k) và đường kính của lỗ lớn nhất trên nắp (d) được chọn là 0,6 m.
1,8 =0,67 k 1 : hệ số, đối với lỗ có nắp không tăng cứng k 1 = 0,64
h = 0,95 [ n ] = 97,714.10 6 N/m 2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10 -3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S
S – C = 2,4 - 1,8 = 0,6 mm < 10 mm Thêm 2 mm vào C khi đó S = 2,4 + 2 = 4,4 mm
* Kiểm tra ứng suất khi thử thủy lực: σ= [ D t 2 + 2h b ( S −C ) ] p 0 n
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xlviii Áp suất thử P 0 = 1.5.P n = 1,5 44243,1 = 66364,65 N/m 2
Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu
4.1.2.1 Buồng đốt a Thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất ngoài, bằng thép CT3
Chiều dày được xác định theo công thức:
Áp suất tính toán bên ngoài (C) được xác định bằng hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất chân không bên trong, với đơn vị là N/m² Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng (p1) được tính theo công thức p1 = g.ρ1.H1, cũng với đơn vị là N/m².
1 : khối lượng riêng chất lỏng (ở 82,08 0 C), 1 = 970,3 ( kg/m 3 )
H 1 : chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H 1 = 1 m g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2
p 1 = g. 1 H 1 = 9,81 970,3.1 = 9518,643 N/m 2 Áp suất bên trong: p = p mt + p 1 , N/m 2 p mt = 0,549 at = 0,549.9,81.10 4 = 53856,9 N/m 2
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang xlix
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: σ = [ D t +( S−C ) ] p 0
Áp suất thử tính toán \( p_0 \) được xác định theo công thức \( p_0 = p_{th} + p_1 \), trong đó \( p_{th} \) là áp suất thử thủy lực và được tính bằng \( p_{th} = 1,5 \cdot p_{mt} = 1,5 \cdot 53856,9 = 80785,35 \, N/m^2 \) Áp suất thử thủy tĩnh của cột chất lỏng \( p_1 \) có giá trị là \( 9518,643 \, N/m^2 \).
Đáy buồng đốt hình elip có gờ, được làm bằng thép CT3, chịu áp suất ngoài Để đảm bảo chất lượng, chiều dày đáy được xác định theo công thức, với S = 3 mm là đạt yêu cầu.
Khi có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số
D t : đường kính trong duồng đốt, D t = 1,8 m
P n : áp suất tính toán bên ngoài, P n = 34724,457 N/m 2
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang l h b : chiều cao phần lồi của đáy, tra bảng [AII – 382] – (XIII.10) ứng với D t = 1,8 m có h b = 0,45 m k: hệ số không thứ nguyên, k =1− d
D t d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,15 m
=1− 0,15 1,8 =0,9167 k 1 : hệ số, đối với đáy có lỗ không tăng cứng k 1 = 0,64
h = 0,95 [ n ] = 97,714.10 6 N/m 2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10 -3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S
Thêm 2 mm khi S – C 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm > S – C > 10 mm
S – C = 2,2 - 1,6 = 0,8 mm < 10 mm Thêm 2 mm vào C khi đó S = 2,2 + 2 = 4,2 mm
* Kiểm tra ứng suất khi thử thủy lực: σ = [ D t 2 +2h b (S−C ) ] p 0
1,2 , N/m 2 [AII – 387] – (XIII.51) Áp suất thử P 0 = 1,5.P n = 1,5.34724,457 = 52086,6855 N/m 2
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang li
1,2 0.10 6 Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu
4.1.2.2 Buồng bốc a Thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất ngoài, bằng thép CT3
Kiểm tra các điều kiện:
( p E n t D l ) 0,4 ≤0 , 523 l: chiều dài (chiều cao) tính toán thiết bị, l = H b = 1,8 m D: đường kính trong buồng bốc, D bb = 1,8 m
1 ¿ D l = 1,8 1,8 =1 ¿ 8 thỏa p n : áp suất tính toán bên ngoài, bằng hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất hơi thứ bên trong, N/m 2 p n = (1- p ng ).9,81.10 4
E t : module đàn hồi ở nhiệt độ thành, E t = 185.10 9 N/m 2
Khi các điều kiện được thỏa, do các loại thép có hệ số Poatxông = 0,3 nên có thể tính chiều dày theo công thức sau:
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lii
C: số bổ sung, tính như trường hợp buồng đốt, C = 1,6.10 -3 m
Chọn S = 10 mm b Nắp buồng bốc
Nắp hình elip có gờ, làm việc chịu áp suất ngoài, bằng thép CT3
Chiều dày nắp được xác định theo công thức:
Khi có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số
Đường kính trong buồng bốc được xác định là D t = 1,8 m Áp suất tính toán bên ngoài là P n = 82354,95 N/m² Chiều cao phần lồi của nắp được tra cứu trong bảng XIII.10 và có giá trị h b = 0,45 m Hệ số không thứ nguyên k và đường kính của lỗ lớn nhất trên nắp, lỗ thông hơi, được chọn là d = 0,6 m.
1,8 =0,67 k 1 : hệ số, đối với lỗ có nắp không tăng cứng k 1 = 0,64
h = 0,95 [ n ] = 97,714.10 6 N/m 2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10 -3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang liii
S – C = 3,56 - 1,6 = 1,96 mm < 10 mm Thêm 2 mm vào C khi đó S = 3,56 + 2 = 5,56 mm
* Kiểm tra ứng suất khi thử thủy lực:
, N/m 2 [AII – 387] – (XIII.51) Áp suất thử = 1,5P n = 1,5 82354,95 = 123532,425 N/m 2
Vậy S = 6 mm là đạt yêu cầu
Bảng 17 Tổng hợp chiều dày buồng đốt, buồng bốc
Nồi Buồng đốt (mm) Buồng bốc (mm)
Thân trụ Đáy Thân trụ nắp
VỈ ỐNG
Buồng đốt được thiết kế với hai vỉ ống cố định hàn chắc chắn vào mặt trên và dưới, đảm bảo độ bền và khả năng chống ăn mòn Chiều dày của vỉ ống S v cần đủ để giữ chặt ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn dưới các ứng suất khác nhau Phương pháp hàn được lựa chọn để gắn ống vào vỉ, đảm bảo tính ổn định và độ bền lâu dài.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang liv
8 + 5 , mm d n : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, d n = 101,6 mm
Để đảm bảo hình dạng vỉ ống sau khi tiến hành nong hàn, tiết diện dọc giới hạn bởi hai thành lỗ gần nhất f m cần phải lớn hơn tiết diện nhỏ nhất cho phép f min Cụ thể, công thức tính f m là: f m = S v (t – d 1 ) ≥ f min = 5.d 1.
S v 132,08−102,6 5.102,6 ,4 mm Tính đến sự ăn mòn 2 phía: C = 2 mm
HỆ THỐNG TAI ĐỠ
4.3.1.1 Khối lượng thép làm ống truyền nhiệt m 1 = n..d.l.., kg n: số ống truyền nhiệt, n = 84 ống d: đường kính trung bình, d = 0,1016+0,0974
: chiều dày thành ống, = 2,108 mm = 2,108.10 -3 m
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lv
: khối lượng riêng của thép , = 7850 kg/m 3
4.3.1.2 Khối luợng thép m 2 = V., kg V: tổng thể tích thép sử dụng, m 3 , bao gồm thép làm ống tuần hoàn, vỉ ống, buồng bốc, buồng đốt, nắp và đáy
: khối lượng riêng của thép CT3, = 7850 kg/m 3
- Thể tích thép được tính như sau: a Đối với ống tuần hoàn, buồng bốc, buồng đốt
V = .d.l., m 3 d: đường kính trung bình, m l: chiều dài (chiều cao), m
: chiều dày, m ( chọn tính theo nồi 2)
Bảng 18 Thể tích thép d trong , m ,m d trung bình , m l, m V, m 3 Ống tuần hoàn 0,4 0,003 0,403 1 0,0038
Buồng đốt 1,6 0,003 1,603 1 0.0151 b Đối với vỉ ống (2 vỉ)
D: đường kính vỉ, bằng đường kính trong buồng đốt, D = 1,6 m
S n : tổng tiết diện ngang ống truyền nhiệt, m 2
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lvi
S th : tiết diện ngang ống tuần hoàn, m 2
V = 2 δ [ π D 4 2 − ( S n + S t h ) ] =2.0,02 [ π 1,6 4 2 −(0,681 +0,1307 ) ] =¿ 0,04796 m 3 c Đối với đáy và nắp
4 , m 3 D: đường kính phôi, m [AII – 385] – (Bảng XIII.12)
Bảng 19 Thể tích đáy và nắp thiết bị
- Tổng khối lượng thép m 2 = 0,19706 7850 = 1547 kg
- Tổng khối lượng vật liệu
Để đảm bảo an toàn cho hệ thống tai đỡ, cần giả định rằng thiết bị chứa đầy nước với khối lượng m 3 = V., kg, trong đó V là tổng thể tích nước trong buồng bốc, buồng đốt, nắp và đáy, m 3.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lvii
: khối lượng riêng của nước, lấy ở 20 0 C, = 998,2 kg/m 3
- Thể tích nước ở buồng bốc và buồng đốt được tính như sau: V = π D 2
, m 3 D: đường kính trong, m l: chiều cao, m Thể tích nước nắp và đáy: tra bảng XIII.10 theo đường kính trong
Khối lượng cực đại: m = m 1 + m 2 + m 3 C4,5+1547+8524,93= 10506,43 kg
Chọn sử dụng 4 tai đỡ
Trọng lượng mỗi tai đỡ phải chịu là: 103068,0783 /4 = 25767,02 N
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lviii
Hình 7: Sơ đồ mặt cắt tai treo
Bảng 21 Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng
Tải trọng cho phép mỗi tai đỡ G.10 -4
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 -6
MẶT BÍCH
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Do hệ thống làm việc với áp suất thấp < 0,1*10 6 N/m 2 nên chọn loại bích liền, là bộ phận được hàn liền với thiết bị
4.4.1 Để nối các ống dẫn
Chọn bích liền bằng kim loại đen kiểu 1
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lix
Hình 8: Sơ đồ mặt cắt bích liền kim loại đen loại 1
Tra từ [AII – 409] – (XIII.26) ta có:
Bảng 22 Mối ghép bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn Loại Py.10 -6
D y Ống Kích thước nối Kiểu bích
Mm Cá i mm Ống nhập liệu
4.4.2 Để nối các bộ phận của thiết bị
Chọn bích liền bằng thép kiểu 1 Tra từ [AII – 417] - (XIII.27) ta có:
Bảng 23 Mối ghép bích giữa thân với đáy và nắp
Kích thước nối (mm) Kiểu bích
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lx
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lxi
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔ ĐẶC
HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 2 NỒI XUÔI CHIỀU
Hình 9 Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều
1- Thùng dung dịch đầu 5- Thiết bị đun nóng 9- Nước ngưng 2- Bơm 6- Dung dịch vào cô đặc 10- Sản phẩm cuối
3- Thùng cao vị 7- Hơi đốt 11- Nước làm lạnh
4- Lưu lượng kế 8- Hơi thứ 12- Hệ thống Baromet
THUYẾT MINH QUY TRÌNH
Dung dịch đường sucrose nồng độ đầu 15% (theo khối lượng) từ thùng chứa
Dung dịch được bơm lên thùng cao vị, sau đó đi qua lưu lượng kế và thiết bị đun nóng để đạt nhiệt độ mong muốn Cuối cùng, dung dịch được đưa vào nồi cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi.
Hơi đốt được đưa vào nồi 1 là hơi nước bão hòa với áp suất 1,232 at, theo thang áp suất tuyệt đối và đơn vị áp suất kỹ thuật Dung dịch vào nồi 1 sẽ được xử lý bên trong.
Trong quá trình truyền nhiệt, hơi đốt từ bên ngoài ống truyền nhiệt làm tăng nhiệt độ dung dịch đến mức sôi, dẫn đến hiện tượng bốc hơi Dung dịch sau đó được cô đặc tuần hoàn tự nhiên cho đến khi đạt nồng độ chất khô 24,37%, trước khi chuyển sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi Hỗn hợp hơi – lỏng bốc lên với tốc độ lớn, va đập vào các cạnh zigzag của bộ phận tách bọt, khiến các giọt chất lỏng rơi trở lại.
Hơi thứ từ nồi 1 được sử dụng làm hơi đốt cho nồi 2, nơi dung dịch được cô đặc tuần hoàn tự nhiên đến khi đạt nồng độ 65% trước khi xả vào bồn chứa Quá trình chuyển dung dịch từ nồi 1 sang nồi 2 và vào bồn chứa diễn ra một cách tự nhiên và liên tục Hơi thứ của nồi 2 sau đó được đưa vào thiết bị ngưng tụ trong điều kiện chân không với áp suất 0,1605 at.
SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang lxiii