Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaOH một nồi liên tục với năng suất 1150 kgh .nồng độ đầu 10%, nồng độ cuối 30%

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaOH một nồi liên tục với năng suất 1150 kg.h1. nồng độ đầu 10%, nồng độ cuối 30%. 2 Các số liệu ban đầu: Nguyên liệu: dung dịch NaOH Năng suất sản phẩm: Gc = 1150 kg.h1 Nồng độ nhập liệu: Xđ = 10% Nồng độ sản phẩm: Xc = 30% MỤC LỤC NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii LỜI MỞ ĐẦU viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Nguyên liệu 1 1.2 Cô đặc 1 1.2.1 Khái niệm 1 1.2.2 Tính chất của quá trình cô đặc 2 1.2.3 Phân loại 2 1.2.4 Các phương pháp cô đặc 2 1.2.5 Ứng dụng của cô đặc 3 1.2.6 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 3 1.2.7 Cơ sở lựa chọn thiết bị 4 CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 5 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 5 2.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ 6 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẲNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 6 3.1 Cân bằng vật chất 7 3.2 Cân bằng năng lượng 7 3.2.1 Nhiệt độ và áp suất trong nồi cô đặc 7 3.2.2 Xác định lượng nhiệt tổn thất 7 3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng 9 3.2.4 Lượng hơi đốt dùng cho toàn bộ hệ thống 10 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 12 4.1 Tính toán bề mặt truyền nhiệt 12 4.1.1 Thông số cần tính toán và lựa chọn 12 4.1.2 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α1 12 4.1.3 Hệ số cấp nhiệt phía hơi lỏng sôi 12 4.1.4 Nhiệt tải riêng phía dung dịch lỏng sôi 14 4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 15 4.2 Buồng đốt và buồng bốc 15 4.2.1 Kích thước buồng đốt 15 4.2.2 Kích thước buồng bốc 18 4.2.3 Kích thước các ống dẫn 19 4.3 Tính bền cơ khí cho buồng đốt 21 4.3.1 Sơ lược cấu tạo 21 4.3.2 Bề dày buồng đốt tối thiểu 21 4.3.3 Bề dày thực buồng đốt 22 4.3.4 Tính bền cho các lỗ 22 4.4 Tính bền cơ khí cho buồng bốc 23 4.4.1 Sơ lược về cấu tạo 23 4.4.2 Bề dày tối thiểu S’ 23 4.4.3 Bề dày thực S 24 4.4.4 Kiểm tra các điều kiện 25 4.4.5 Tính bền cho các lỗ 27 4.5 Tính đáy và nắp cho thiết bị 27 4.5.1 Tính đáy buồng đốt 27 4.5.2 Tính nắp buồng bốc 31 4.6 Lựa chọn mặt bích 34 4.6.1 Mặt bích nối giữa buồng bốc với buồng đốt 34 4.6.2 Mặt bích nối giữa buồng đốt với đáy 35 4.6.3 Mặt bích nối giữa buồng bốc với nắp 35 4.6.4 Mặt bích nối giữa các bộ phận của thiết bị và ống 36 4.7. Tính vỉ ống 37 4.7.1 Sơ lược về cấu tạo 37 4.7.2 Tính vỉ ống phía trên của buồng đốt 37 4.7.3 Tính vỉ ống phía dưới của buồng đốt 38 4.8 Tính khối lượng và tai treo 39 4.8.1 Khối lượng buồng bốc 40 4.8.2 Khối lượng buồng đốt 40 4.8.3 Khối lượng phần nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt 41 4.8.4 Khối lượng đáy nón 41 4.8.5 Khối lượng nắp elip 41 4.8.6 Khối lượng ống đốt và ống tuần hoàn trung tâm 42 4.8.7 Tính khối lượng mặt bích 42 4.8.8 Tính khối lượng vỉ ống 43 4.8.9 Tính khối lượng bulông, đai ốc 43 4.8.10 Khối lượng dung dịch khi chứa đầy trong thiết bị 44 4.8.11 Tai treo 45 4.9 Kính quan sát và cửa vệ sinh 47 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 48 5.1 Thiết bị ngưng tụ baromet 48 5.1.1 Sơ lược về thiết bị ngưng tụ baromet 48 5.1.2 Lượng nước tưới vào thiết bị 48 5.1.3 Lưu lượng không khí và khí ngưng cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ 49 5.1.4 Thể tích không khí cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ 49 5.1.5 Các kích thước của thiết bị ngưng tụ baromet 49 5.2 Tính bơm 53 5.2.1 Bơm chân không 53 5.2.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 53 5.2.3 Bơm đưa dung dịch ban đầu lên bồn cao vị 56 5.2.4 Bơm tháo liệu 58 5.3 Bồn cao vị 61 5.4 Bề dày lớp cách nhiệt 63 5.4.1 Bề dày lớp cách nhiệt ống 63 5.4.2 Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi đốt 63 5.4.3 Cách nhiệt cho buồng đốt 64 5.4.4 Cách nhiệt cho buồng bốc và nắp buồng bốc 64 5.4.5 Cách nhiệt cho đáy thiết bị 65 CHƯƠNG 6: TÍNH KINH TẾ 66 KẾT LUẬN 67 LỜI CẢM ƠN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 70 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 71 DANH MỤC BẢNG Bảng 3 1: Bảng tỷ số DW ở các nhiệt độ đầu 10 Bảng 3 2: Tổng hợp các thông số đã tính toán 1 11 Bảng 4 1: Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm 2, tr29 12 Bảng 4 2: Bảng thông số của dung dịch NaOH (30%) và nước 13 Bảng 4 3: Tổng hợp các thông số đã tính toán 2 15 Bảng 4 4: Bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều 17 Bảng 4 5: Quan hệ giữa chiều cao và đường kính trong Dt 18 Bảng 4 6: Mặt bích giữa buồng bốc và buồng đốt 35 Bảng 4 7: Mặt bích giữa buồng đốt và đáy 35 Bảng 4 8: Mặt bích giữa buồng bốc và nắp 36 Bảng 4 9: Mặt bích nối giữa các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 36 Bảng 4 10: Tai treo thiết bị thẳng đứng 45 Bảng 4 11: Tai treo thiết bị thẳng đứng 46 Bảng 6 1: Tính toán giá thành thiết bị 66 DANH MỤC HÌNH Hình 2 1: Sơ đồ qui trình công nghệ 5 Hình 4 1: Mặt bích kiểu 1 34 Hình 4 2: Tai treo và tấm lót tai treo 47 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay thì ngành công nghiệp hóa chất đóng một vai trò rất lớn và liên quan mật thiết đến nhiều ngành công nghiệp sản xuất khác. Một trong số những hóa chất phổ biến và có nhiều công dụng trong các ngành công nghiệp như chế biến dầu mỏ, dệt, nhuộm, sản xuất giấy, sản xuất bột giặt, xà phòng… chính là natri hydroxit (NaOH). Ngày nay, phương pháp hiện đại để sản xuất NaOH là điện phân dung dịch NaCl bão hòa. Tuy nhiên, sản phẩm NaOH được sản xuất ra thường rất loãng không đáp ứng được nhu cầu sử dụng cho các ngành công nghiệp, khó tồn trữ. Vì vậy, nhu cầu hiện nay là đưa NaOH loãng từ điện phân thành NaOH có nồng độ cao hơn để dễ dàng trong việc chọn lựa sử dụng. Từ những lý do đó mà nhu cầu thiết kế, xây dựng, lắp đặt các nhà máy, thiết bị cô đặc NaOH ra đời. Cùng với lý do đó thì môn học Đồ án các quá trình thiết bị Công nghệ hóa học ra đời. Nhiệm vụ của đồ án này là “Tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc một nồi, có ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% lên 30%, năng suất sản phẩm 1150 kgh1 ”. Thực hiện Đồ án các quá trình thiết bị Công nghệ hóa học, đây là một cơ hội tốt để sinh viên có thể tiếp cận với việc tính toán, thiết kế và chon lựa các chi tiết của một thiết bị theo các thông số cụ thể. Đồng thời tích lũy được những kiến thức và kĩ năng cần thiết. Tuy nhiên đề tài lớn dầu tiên mà sinh viên đảm nhận và những kiến thức hạn chế của bản thân nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Do đó em rất mong được sự chỉ dẫn, góp ý từ các Thầy Cô để em có thể hoàn thành tốt đồ án này.

TỔNG QUAN

Nguyên liệu

Natri hydroxit (NaOH) là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể, có khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 °C và sôi ở 1388 °C dưới áp suất khí quyển Chất này tan tốt trong nước với độ hòa tan lên tới 1110 g/l ở 20 °C và tỏa nhiệt mạnh khi hòa tan Tuy nhiên, NaOH ít tan trong các dung môi hữu cơ như methanol và ethanol Cả NaOH rắn và dung dịch đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí, do đó cần được bảo quản trong các thùng kín.

Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và ăn mòn cao Việc sử dụng NaOH trong sản xuất cần chú ý đến khả năng ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động để bảo vệ sức khỏe người lao động.

Ngành sản xuất NaOH là một lĩnh vực quan trọng trong ngành hóa chất cơ bản, có lịch sử lâu dài NaOH đóng vai trò thiết yếu trong sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác, bao gồm tổng hợp tơ nhân tạo, dệt may và lọc hóa dầu.

Trong ngành công nghiệp, trước đây, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 phản ứng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng Hiện nay, phương pháp sản xuất hiện đại sử dụng điện phân dung dịch NaCl bão hòa Tuy nhiên, sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng, gây khó khăn cho việc vận chuyển Do đó, để thuận tiện cho việc chuyên chở và sử dụng, cần phải cô đặc dung dịch NaOH đến nồng độ nhất định theo yêu cầu.

Cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan, ở nhiệt độ sôi với mục đích:

 Làm tăng nồng độ chất tan.

 Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.

 Giảm được khối lượng vận chuyển.

Quá trình cô đặc diễn ra chủ yếu ở trạng thái sôi, khi áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng với áp suất làm việc của thiết bị Quá trình này có thể thực hiện ở nhiều mức áp suất khác nhau, bao gồm áp suất thường, áp suất chân không và áp suất dư, trong hệ thống cô đặc có thể là một nồi hoặc nhiều nồi Ngoài ra, quá trình cô đặc có thể được thực hiện theo hai hình thức: liên tục hoặc gián đoạn.

1.2.2 Tính chất của quá trình cô đặc

Tốc độ cô đặc của dung dịch bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm khối lượng riêng của dung dịch, độ nhớt, nhiệt dung riêng, tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh, nhiệt độ sôi của dung dịch và áp suất làm việc của thiết bị.

Các thông số của tác nhân cấp nhiệt, bao gồm hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt, đều có tác động quan trọng đến quá trình cô đặc Những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả của quá trình, từ đó quyết định chất lượng và năng suất của sản phẩm cuối cùng.

Nhiệt độ sôi của dung dịch tỉ lệ thuận với áp suất làm việc của thiết bị cô đặc.

1.2.3 Phân loại a Theo cấu tạo

 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên).

 Loại I: có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc); có tuần hoàn trong hay ngoài.

Loại II là thiết bị có buồng đốt ngoài, không đồng trục với buồng bốc Thiết bị này chủ yếu được sử dụng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt thấp và khá loãng, giúp đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.

 Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức).

 Loại III: có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.

Loại IV có thiết kế buồng đốt và ống tuần hoàn ngoài, sử dụng bơm để tạo ra dòng chảy cưỡng bức với tốc độ từ 1,5 – 3,5 m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm nổi bật của loại này là khả năng tăng cường hệ số truyền nhiệt, cho phép sử dụng với các dung dịch đặc sệt và có độ nhớt cao, đồng thời giảm thiểu hiện tượng bám cặn và kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.

 Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng.

 Loại V: màng dung dịch chảy ngược lên, buồng đốt trong hay ngoài Dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.

 Loại VI: màng dung dịch chảy xuôi, buồng đốt trong hay ngoài Dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ. b Theo phương thức thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) hoạt động với nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được sử dụng trong quá trình cô đặc dung dịch liên tục Phương pháp này giúp duy trì mức dung dịch ổn định, tối ưu hóa năng suất và rút ngắn thời gian cô đặc.

Cô đặc áp suất chân không là quá trình sử dụng nhiệt độ sôi thấp để xử lý dung dịch trong điều kiện chân không Phương pháp này giúp dung dịch tuần hoàn hiệu quả, giảm thiểu cặn bã và đảm bảo sự bay hơi của dung môi diễn ra liên tục.

Cô đặc nhiều nồi nhằm mục đích tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên quá lớn để không giảm 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 sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế.

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

1.2.4 Các phương pháp cô đặc

Tùy thuộc vào tính chất của cấu tử khó bay hơi, có thể tách một phần dung môi thông qua phương pháp đun nóng hoặc bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.

Phương pháp nhiệt (đun nóng) là quá trình chuyển đổi dung môi từ trạng thái lỏng sang hơi khi áp suất riêng phần của nó đạt bằng áp suất bên ngoài, tức là khi dung dịch sôi Đối với các dung dịch nhạy cảm với nhiệt độ cao, việc cô đặc cần được thực hiện ở nhiệt độ thấp, tương ứng với áp suất cân bằng thấp, thường là trong điều kiện chân không.

Phương pháp lạnh là quá trình hạ thấp nhiệt độ để tách một cấu tử ra dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường là kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Quá trình kết tinh này có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, tùy thuộc vào tính chất của cấu tử và điều kiện áp suất bên ngoài tác động lên dung dịch Đôi khi, việc sử dụng máy làm lạnh là cần thiết để đạt được nhiệt độ yêu cầu.

1.2.5 Ứng dụng của cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, các nhà máy, xí nghiệp thường cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…

Trong sản xuất hóa chất, các nhà máy, xí nghiệp thường cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…

1.2.6 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

1.2.7 Cơ sở lựa chọn thiết bị

Dựa vào tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cùng với điều kiện đầu đề, chúng ta lựa chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.

Thiết bị này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, có thể tận dụng triệt để nguồn hơi.

Quá trình cô đặc diễn ra ở áp suất chân không, giúp hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch Điều này không chỉ giữ cho chất lượng dung dịch được bảo toàn mà còn ngăn ngừa sự biến chất do nhiệt độ cao, đồng thời giảm thiểu chi phí năng lượng.

Phương pháp và thiết bị này có tốc độ tuần hoàn dung dịch thấp, dẫn đến hệ số truyền nhiệt không hiệu quả Điều này làm tăng độ nhớt do nồng độ tăng lên trong khi nhiệt độ giảm dần.

THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 2-1: Sơ đồ qui trình công nghệ

1 Bơm chân không 8 Bồn chứa sản phẩm

2 Bồn chứa nước ngưng 9 Bơm nguyên liệu lên bồn cao vị

3 Bơm đưa nước lên thiết bị ngưng tụ 10 Bồn cao vị

4 Bồn chứa nước làm mát 11 Nồi hơi

5 Bồn chứa nước ngưng 12 Thiết bi cô đặc

6 Bồn chứa sản phẩm tạm thời 13 Thiết bị ngưng tụ baromet

7 Bơm tháo liệu 14 Thiết bị tách lỏng

Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ

Nguyên liệu ban đầu sử dụng dung dịch NaOH 10% Dung dịch này được bơm từ bể chứa lên bồn cao vị bằng bơm ly tâm Từ bồn cao vị, dung dịch sẽ tự chảy vào thiết bị cô đặc, với lưu lượng được điều chỉnh bởi lưu lượng kế.

Phần dưới của thiết bị cô đặc bao gồm buồng đốt, với các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch được dẫn qua ống, trong khi hơi đốt (hơi nước bão hòa) lưu thông trong không gian ngoài ống Hệ thống ống truyền nhiệt (ống chùm) sử dụng hơi nước ở áp suất 4 at để làm sôi dung dịch trong nồi cô đặc.

Dung dịch được tuần hoàn tự nhiên thông qua hệ thống ống chùm và ống tuần hoàn trung tâm Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này là dung dịch di chuyển từ dưới lên trên trong ống truyền nhiệt, trong khi đó, nó sẽ chảy từ trên xuống dưới trong ống tuần hoàn trung tâm.

Hơi nước gia nhiệt được dẫn ra ngoài qua bẫy hơi trong buồng đốt, trong khi buồng bốc của nồi cô đặc thực hiện quá trình sôi dưới áp suất chân không Hơi thứ mang theo giọt nước sẽ đi qua thiết bị tách bọt, nơi giọt nước bị vỡ và tuần hoàn xuống dưới Hơi thứ sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ, nơi xảy ra trao đổi nhiệt ngược dòng giữa hơi và nước làm mát, dẫn đến nước ngưng hòa vào dòng nước chảy xuống bồn chứa Khí không ngưng được tách ra qua thiết bị tách lỏng trước khi quay lại bơm chân không Cuối cùng, dung dịch sau cô đặc được đưa ra ngoài qua ống tháo sản phẩm vào bồn tháo liệu và được chuyển đến bồn chứa sản phẩm bằng bơm tháo liệu.

Sản phẩm cô đặc được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo tính chất và nồng độ đạt yêu cầu là 30%.

TÍNH TOÁN CÂN BẲNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Cân bằng vật chất

Lựa chọn các thông số ban đầu như sau:

Nồng độ đầu của dung dịch: Xđ = 10%

Nồng độ cuối của dung dịch: Xc = 30%

Năng suất thiết bị (lượng dung dịch cuối): Gc = 1150 kg.h -1

Lượng dung dịch đầu: kg.h -1

Lượng hơi nước bốc (hơi thứ) trong toàn bộ hệ thống: kg.h-1 [2, CT VI.1,tr55]

Cân bằng năng lượng

3.2.1 Nhiệt độ và áp suất trong nồi cô đặc a Các thông số được lựa chọn Áp suất hơi đốt: Phđ = 4 at

→ Nhiệt độ hơi đốt: thđ = 142,9 o C [1, bảng I.251, tr314] Áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ:

Pht = 0,4 at → nhiệt độ hơi thứ: tht = 75,4 o C [1, bảng I.251, tr314]

Tổn thất nhiệt độ do cản trở thủy lực trên đường ống ∆”’ = 1 o C (chọn) [2, tr67]

Nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất buồng bốc: to(Po) = tsdm = tht + ∆”’ = 76,4 o C

→ Áp suất buồng bốc (áp suất làm việc): Po = 0,418 at [1, bảng I.250, tr312]

3.2.2 Xác định lượng nhiệt tổn thất a Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao

Ta có công thức Tisenco:

∆0’ là tổn thất nhiệt độ xảy ra khi nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển Với dung dịch cô đặc tuần hoàn có nồng độ a = Xc = 30%, tổn thất nhiệt độ ∆0’ được xác định là 17 oC Hệ số hiệu chỉnh f được tính theo công thức cụ thể.

Po = 0,418 at → r = 2317,66 kJ.kg -1 [1, bảng I.251, tr314]

Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất buồng bốc (áp suất làm việc)

→ 17.0,853 = 14,5 b Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh

Po: áp suất hơi nước trên mặt thoáng của dung dịch (áp suất làm việc trong buồng bốc)

Chiều cao của lớp dung dịch sôi từ miệng ống truyền đến mặt thoáng của dung dịch là h1 = 0,6 m, trong khi chiều cao ống truyền nhiệt là h2 = 1,5 m Khối lượng riêng của dung dịch sôi được tính là ρdds = 0,5.ρdd, với ρdd là khối lượng riêng của dung dịch tra ở nồng độ Xđ = 10% tại nhiệt độ 20°C, có giá trị là 1109 kg/m³ Do đó, khối lượng riêng của dung dịch sôi là ρdds = 0,5 × 1109 = 554,5 kg/m³ Gia tốc trọng trường được xác định là g = 9,81 m/s².

Với Ptb = 0,5 at → ttb = 80,9 [1, bảng I.251, tr314]

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:

∆’’ = ttb – to = 80,9 – 76,4 = 4,5 c Tổn thất nhiệt độ do cản trở thủy lực trên đường ống (∆’’’)

Trong quá trình vận hành hệ thống cô đặc, tổn thất nhiệt độ thường được chấp nhận trên đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi cô đặc đến thiết bị ngưng tụ là 1 độ C (∆’’’ = 1 d) Tổng tổn thất nhiệt trong toàn bộ hệ thống cô đặc được ký hiệu là ∑∆.

Nhiệt độ sôi của dung dịch: tsdd = to + ∆’ + ∆’’ = 76,4 + 14,5 + 4,5 = 95,4

Hiệu số nhiệt hứu ích:

= Gđ.cđ.(tsdd – tđ) + Wr + Qtt [2, CT VI.3, tr57]

Qdn: Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi

Qbh: Nhiệt lượng làm bốc hơi nước

Qtt: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh

C: Nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ tsdd: Nhiệt độ sôi của dung dịch r : Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi, J/kg

 Nhiệt lượng dùng đun nóng dung dịch:

Gđ = 3450 kg.h -1 = 0,958 kg.s -1 cd: là nhiệt dung riêng của dung dịch do dung dịch loãng a < 20 % nên cd = 4186.(1 – x) = 4186.(1 – 0,1) = 3767,4 J.kg -1 độ -1 [1,CT I.43, tr152] tsdd = 95,4 tđ = 25 (tự chọn)

 Nhiệt lượng dùng để bốc hơi nước:

Với: W là lượng hơi thứ: W = 2300 kg.h -1 = 0,639 kg.s -1

Nội suy từ nhiệt độ sôi của dung môi Tm= 76,4 ℃ bảng I 251, trang 314: r = 2317660 J.kg -1

Qtt là nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh Qtt = 5%.Q

3.2.4 Lượng hơi đốt dùng cho toàn bộ hệ thống

Q: nhiệt tiêu thụ, W r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, J.kg -1 Ở Phđ = 4 at, 142,9 → r = 2141000 J.kg -1 [1, I.251, tr315]

Kiểm tra lại điều kiện:

Bảng 3-1: Bảng tỷ số D/W ở các nhiệt độ đầu td( o C) 20 21 22 23 24 25 26 27

1,227 Dựa vào bảng ta chọn lại td thích hợp => tđ = 25

Bảng 3-2: Tổng hợp các thông số đã tính toán 1

Thông số Giá trị Đơn vị

Nồng độ đầu (Xđ) 10 %wt

Nồng độ cuối (Xc) 30 %wt

Năng suất nhập liệu (Gđ) 3450 kg.h -1

Năng suất tháo liệu (Gc) 1150 kg.h -1

Lượng hơi thứ trong toàn hệ thống (W) 2300 kg.h -1

Nhiệt độ hơi đốt (thđ) 142,9 o C Áp suất hơi đốt (Phđ) 4 at

Nhiệt độ hơi thứ tại buồng bốc (to) 76,4 o C Áp suất hơi thứ tại buồng bốc (Po) 0,418 at

Nhiệt độ đầu dung dịch (tđ) 25 o C Áp suất hơi tại bình ngưng 0,4 at

Nhiệt độ sôi của dung dịch (tsdd) 95,4 o C

Hiệu số nhiệt hữu ích (∆thi) 47,5 o C

Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (D) 0,788 kg.s -1

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Tính toán bề mặt truyền nhiệt

4.1.1 Thông số cần tính toán và lựa chọn

T1 là nhiệt độ sôi hơi đốt T1 = Thđ = 142,9

T2 là nhiệt độ sôi của dung dịch: T2 = Tdds = 95,4

Tv1, Tv2 lần lượt là nhiệt độ vách ngoài và vách trong của ống truyền nhiệt

∆t1 là hiệu số nhiệt độ giữa hơi nước ngưng tụ và vách ngoài ống truyền nhiệt: giả thuyết chọn ∆t1 = 4,35.

Tm là nhiệt độ màng nước ngưng tụ trên vách ngoài ống truyền nhiệt:

Bảng 4-3: Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm [2, tr29]

Với Tm = 140,725 nội suy từ bảng trên được giá trị A = 194,108

4.1.2 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α 1

R là ẩn nhiệt hóa hơi ngưng tụ của hơi đốt: r = 2141000 J.kg -1

H là chiều cao ống truyền nhiệt: H = 1,5 m.

Nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị: q1 = α1.∆t1 = 9477,3.4,35 = 41226,3 W.m -2

4.1.3 Hệ số cấp nhiệt phía hơi lỏng sôi α2 = αn.ψ [2, CT VI.27, tr71] αn: là hệ số cấp nhiệt khi nước sủi bọt, αn được tính theo công thức: αn = 0,145 [2, CT V.91, tr26]

Thiết bị sau một thời gian sử dụng sẽ có cặn bẩn bám ở phía trong và phía ngoài ống truyền nhiệt gây tổn thất nhiệt.

Bề dày các chất này là 0,0005 m [2, bảng V.1, tr4] Hơi nước có rhn = 2,32.10 -4 m 2 độ.W -1

Cặn bẩn có rcặn = 3,87.10 -4 m 2 độ.W -1

Chọn vật liệu ống truyền nhiệt thép không gỉ X18H10T dày 0,003 m, λ = 16,3 W.m -1 độ -1 và có khối lượng riêng ρ = 7900 kg.m -3

Khi đó trở lực: m 2 độ.W -1

Tổn thất nhiệt qua đường ống:

P là áp suất tuyệt đối tại mặt thoáng dung dịch:

 α n = 0,145.10,9 2,33 40992,45 0,5 = 7672 W.m -2 độ -1 Ψ là hệ số hiệu chỉnh của dung dịch được tính theo công thức:

Với λ, ρ, C, μ tương ứng là hệ số dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của dung dịch và dung môi (nước) [1]

Bảng 4-4: Bảng thông số của dung dịch NaOH (30%) và nước

Tờn chất λ(W.m -1 độ -1 ) ρ(kg.m -3 ) C(J.kg -1 độ -1 ) à(Pa.s)

Lưu ý: nước tra theo nhiệt độ sôi của dung môi ở 76,4 [1, bảng I.249, tr311] Dung dịch tra theo tsdd = 95.4

Các thông số của dung dịch:

Cdd [1, bảng I.154, tr172] àdd: tra bảng [1, bảng I.101, tr91] ρdd : tra bảng [1, bảng I.2, tr9] λdd: công thức [1, CT I.32, tr123]

4.1.4 Nhiệt tải riêng phía dung dịch lỏng sôi q2 = α2.∆t2 = 3759.10,9 = 40973 W.m -2

Kiểm tra lại điều kiện cho phép:

Nhiệt trở lớp cáu cặn trên thành thiết bị phía hơi ngưng tụ được xác định với lớp cáu cặn là màng nước ngưng tụ ở nhiệt độ cao, có giá trị r1 = 0,000232 m².K⁻¹.W⁻¹ Đối với lớp cáu cặn trên thành thiết bị phía chất lỏng sôi, với cặn bẩn dày 0,5 mm, giá trị r2 là 0,000387 m².K⁻¹.W⁻¹ Hệ số dẫn nhiệt của ống truyền nhiệt được chọn là thép không gỉ X18H10T với mật độ 7900 kg.m⁻³ và λ = 16,3 W.m⁻¹.K⁻¹ Chiều dày thành ống truyền nhiệt được chọn là δ = 3 mm (0,003 m).

4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt:

Bảng 4-5: Tổng hợp các thông số đã tính toán 2

Thông số Đơn vị Giá trị

Nhiệt độ vách ngoài ống truyền nhiệt (tv1) o C 138,55

Nhiệt độ vách trong ống truyền nhiệt (tv2) o C 105,7

Nhiệt trở lớp cáu cặn phía hơi ngưng tụ (r1) m 2 độ.W -1 0,000262 Nhiệt trở lớp cáu cặn phía chất lỏng sôi (r2) m 2 độ.W -1 0,000387

Hệ số dẫn nhiệt của ống truyền nhiệt (λ) W.m -1 độ -1 16,3

Chiều dày thành ống truyền nhiệt (δ) M 0,003

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (α1) W.m -2 độ 9477,3

Hệ số cấp nhiệt phía chất lỏng sôi (α2) W.m -2 độ 3759

Nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị (q1) W.m -2 41226,3

Nhiệt tải riêng phía chất lỏng sôi (q2) W.m -2 40973

Hệ số truyền nhiệt (K) W.m -2 độ 851,4

Diện tích bề mặt truyền nhiệt (F) m 2 41,7

Buồng đốt và buồng bốc

Với d = 0,025 m (chọn), l = 1,5 m là chiều dài ống truyền nhiệt.

Chọn số ống thực tế n = 367 ống [2, bảng V.11, tr48] Đường kính trong ống tuần hoàn trung tâm:

Tổng tiết diện cắt ngang của các ống gia nhiệt: m 2

Tiết diện ngang của ống tuần hoàn trung tâm chọn bằng 25% tổng tiết diện cắt ngang của các ống gia nhiệt: [3, tr274]

Chọn đường kính ống tuần hoàn trung tâm Dth = 0,25 m.

Kiểm tra lại điều kiện:(thỏa) [3, CT 5.12, tr275]

Chọn thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác đều.

Các thông số cần thiết:

Hệ số β thường được chọn trong khoảng 1,3 đến 1,5, với giá trị cụ thể là 1,47 Bước ống t cũng nằm trong khoảng 1,3 đến 1,5 dn, và được chọn là 1,47 dn Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, ký hiệu là dn, được tính bằng d cộng với chiều dày ống đã chọn Hệ số sử dụng lưới đỡ ống Ψ thường dao động từ 0,7 đến 0,9, và giá trị chọn là 0,7 Chiều dài ống truyền nhiệt h2 được xác định là 1,5 m Cuối cùng, đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm thiết bị, ký hiệu dth, được tính bằng Dth cộng với chiều dày đã chọn.

Sin 60 o : Do xếp ống theo hình lục giác đều, nên 3 ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau tạo thành một tam giác đều có góc α = 60 o

F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt 41,7 m 2

Ta có: dn = d + chiều dày = 0,025 + 0,003.2 = 0,031 m dth = Dth + chiều dày = 0,25 + 0,003.2 = 0,256 m

Vậy đường kính trong của buồng đốt được tính bởi công thức:

Vậy chọn Dt = 1,2 m [2, bảng XIII.6, tr359]

Phân bố 367 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều như bảng sau:

Bảng 4-6: Bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều

Số ống trên đường xuyên tâm 21

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 331

Số ống trong các hình viên phân

Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân 36

Tổng số ống của thiết bị 367

Cần thay thế các ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm, dựa trên điều kiện thay thế được suy ra từ công thức [2, CT V.140, tr49] với t là bước ống tính bằng mét.

Thường chọn bước ống t = 1,2 – 1,5d → Chọn t = 1,47dn = 0,05 m

Chọn b = 5 ống theo bảng [2, bảng V.11, tr48]

Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 5 ống trên đường xuyên tâm.

Số ống truyền nhiệt được thay thế là: ống (chọn 19 ống)

Số ống truyền nhiệt còn lại là n’ = 367 – 19 = 348 ống.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

Db: là đường kính buồng bốc: chọn bằng đường kính buồng đốt theo đường kính chuẩn Db = 1,4 m.

Chiều cao buồng bốc Hb được xác định dựa trên điều kiện Db và thể tích buồng bốc Vb Thể tích Vb được tính từ tiêu chuẩn phụ tải cho phép của buồng bốc, cụ thể là cường độ bốc hơi trung bình, theo công thức Vb = W/p’’.ω’.

Các số liệu thực nghiệm đối với dung dịch NaOH thì cường độ bốc hơi thể tích cho phép khoảng ω’ = 1600 – 1700 m 3 h -1

Với ρ’’ là khối lượng riêng của hơi thứ tại nhiệt độ sôi dung dịch.

Bảng 4-7: Quan hệ giữa chiều cao và đường kính trong D t

Trong lĩnh vực thiết bị hóa chất và công nghệ, mối quan hệ giữa chiều cao và đường kính của thiết bị thẳng đứng được quy định với tỷ lệ H/Dt không vượt quá 30.

Vậy chiều cao và đường kính trong buồng bốc là Hb = 2 m; Db = 1,4 m

4.2.3 Kích thước các ống dẫn Đường kính của các ống được tính theo công thức:

Trong đó: d: đường kính trong của ống, m

V: lưu lượng dung dịch đi trong ống, m 3 s -1 ω: vận tốc thích hợp dung dịch đi trong ống, kg.s -1

G: lượng dung dịch qua ống, kg.s -1 ρ: khối lượng riêng của dung dịch, kg.m -3

Vận tốc dòng chảy thường chọn như sau:

Khi ở áp suất thường hoặc xấp xỉ áp suất thường ω = 10 ÷ 20 m.s -1

Hơi quá nhiệt ω = 30 ÷ 50 m.s -1 a Ống nhập liệu vào nồi cô đặc

Khối lượng riêng ρ = 1109 kg.m -3 Ω = 2 m.s -1 (do là chất lỏng ít nhớt) m

Chọn dt = 0,025 m, dn = 0,032 m. b Ống tháo liệu ra khỏi nồi cô đặc

Lưu lượng G = 0,319 kg.s -1 (lấy G = Gc năng suất của máy)

Khổi lượng riêng ρ = 1279 kg.m -3 Ω = 1 m.s -1 (do là chất lỏng nhớt) m

Chọn dt = 0,025 m, dn = 0,032 m. c Ống dẫn hơi đốt

Khối lượng riêng ρ = 2,12 kg.m -3 (tra ở áp suất 4 at) [1, bảng I.251, tr314] ω = 20 m.s -1 (do là hơi bão hòa) m

Chọn dt = 0,2 m, dn = 0,219 m d Ống dẫn hơi thứ

Khối lượng riêng ρ = 0,2456 kg.m -3 (tra ở áp suất 0,4 at) [1, bảng I.251, tr314] ω = 40 m.s -1 (do là hơi bão hòa)

Chọn dt = 0,3 m, dn = 0,325m e Ống dẫn nước ngưng

Dẫn nước cân bằng với hơi nước bão hòa ở 4 at.

Chọn  = 1 m.s -1 (chất lỏng ít nhớt).

Chọn dt = 0,025 m, dn = 0,032 m. f Ống dẫn khí không ngưng

Tính bền cơ khí cho buồng đốt

4.3.1 Sơ lược cấu tạo Đường kính trong: Dt = 1,2 m = 1200 mm.

Thân có 3 lỗ, mỗi lỗ ứng với 3 ống: ống dẫn hơi đốt, ống xả khí không ngưng và ống xả nước ngưng.

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T, có bọc cách nhiệt.

4.3.2 Bề dày buồng đốt tối thiểu

Do sử dụng hơi đốt là hơi bão hòa có áp suất hơi đốt (Phđ) bằng 4 at, nên áp suất trong buồng đốt (Ptr) được tính bằng công thức Ptr = Phđ - Pa, với Pa là áp suất khí quyển (1 at) Kết quả là Ptr = 4 - 1 = 3 at, tương đương với 294204,18 N/m² hay 0,294 N/mm².

Ptt = Ptr + ρgH = 294204,18 + 1109.9,81.1,5 = 310523,115 N.m -2 = 0,311 N.mm -2 Nhiệt độ của hơi đốt vào là t = 142,9 o C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt = t + 20 = 142,9 + 20 = 162,9 o C

Theo hình [4, hình 1-2, tr12] ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:N.mm -2

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có vỏ bọc cách nhiệt) [4, tr14]

→ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

Tra bảng [4, bảng 2-12, tr30] module đàn hồi của vật liệu ở ttt là:

Từ điều kiện chiều dày thân buồng đốt được tính bởi công thức: mm [4, CT 5-3, tr91]

Dt: đường kính trong = 1,2 m 00 mm

Ptt: áp suất tính toán = 0,311 N.mm -2

: Ứng suất cho phép của vật liệu = 131,1 N.mm -2

: hệ số bền mối hàn = 0,95 [4, bảng 1-7, tr15]

4.3.3 Bề dày thực buồng đốt

 Chọn S’ = S min = 4 mm [4, bảng 5-1, tr94]

Hệ số bổ sung chiều dày là :

Ca là hệ số bổ sung do ăn mòn, do vật liệu bền 0,05 – 1 mm/năm ta chấp nhận:

Ca = 1 mm theo thời gian sử dụng 15 – 20 năm.

Cb, Cc lần lượt là đại lượng bổ sung do hao mòn, thường chọn theo thực nghiệm thì Cb = Cc = 0.

C0 là đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, C0 = 0,4 mm chọn theo thép không gỉ X18H10T [2, bảng XIII.9, tr364]

Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức:

(thỏa) [4, CT 5-10, tr92] Áp suất tính toán cho phép buồng đốt :

Vậy chiều dày của thân buồng đốt là 7 mm

 Đường kính ngoài buồng đốt: D n = Dt +2S = 1200 + 2.7 = 1214 mm.

4.3.4 Tính bền cho các lỗ Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng:

Dt = 1200 mm đường kính trong của buồng đốt.

S = 7 mm bề dày của buồng đốt. k là hệ số bền của lỗ.

So sánh: Ống dẫn hơi đốt Dt = 200 mm > dmax Ống dẫn nước ngưng Dt = 25 mm > dmax Ống xả khí không ngưng Dt = 25 mm > dmax

Đường kính của các ống dẫn phải lớn hơn giá trị d max, vì vậy cần phải tăng cứng cho các lỗ Để thực hiện điều này, sử dụng bạc tăng cứng hàn vào giữa thân và ống, với bề dày của bạc tăng cứng tương đương với bề dày của thân.

Tính bền cơ khí cho buồng bốc

4.4.1 Sơ lược về cấu tạo

Buồng bốc có đường kính Db = 1,4 m và chiều cao Hb = 2 m.

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

Thân có 5 lỗ gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 1 kính quan sát.Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T, có bọc 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 là Po = 0,418 at, do đó, buồng phải chịu áp lực từ môi trường bên ngoài.

Pn = Pmt + Pck = 2Pmt – Po = 2.1 – 0,418 = 1,582 at = 0,155 N.mm -2

Pn: áp suất ngoài, N.mm -2

Pck = Pmt – Po là áp suất chân không (độ chân không)

Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 76,4 o C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: ttt = 76,4 + 20 = 96,4 o C (trường hợp có bọc cách nhiệt)

Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 [4, bảng 1-7, tr15]

Theo hình [4, hình 1-2, tr16] ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là: = 142 N.mm -2

→ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

Tra bảng [4, bảng 2-12, tr30] module đàn hồi của vật liệu ở ttt là

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 [4, bảng 1- 6,tr11]

→ Ứng suất chảy của vật liệu là: [4, CT 1-3, tr10]

Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 30% ở tsdd là : 1279 kg.m -3 Áp dụng công thức:

Trong đó: l = Hb = 2000 mm – chiều dài tính toán (chiều cao)

Dt = 1400 → Smin = 4 mm < 7,19 mm → Chọn S’ = 8 mm [4, bảng 5-1, tr90]

C1: hệ số bổ sung do ăn mòn

Do vật liệu bền 0,05 – 1 mm/năm ta chấp nhận C1 = 1 mm theo thời gian sử dụng

C2: đại lượng bổ sung do hao mòn, thường chọ theo thực nghiệm thì C = Cb = 0

C3 = 0,4 đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày [2, bảng XIII.9, tr364]

→ C: hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai chiều dày, m

4.4.4 Kiểm tra các điều kiện a Kiểm tra lại bề dày buồng bốc

Kiểm tra lại theo công thức:

→ Thỏa điều kiện b Kiểm tra lại độ ổn định khi chịu tác dụng của áp suất ngoài

So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn]

(thỏa) c Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục

→ Điều kiện thỏa mãn ổn định của thân [4, đk 5-32, tr98]

(thỏa) Ứng suất nén được tính theo công thức:

N.mm -1 [4, CT 5-48, tr102] Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức: d Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu đồng thời của áp suất ngoài và lực nén chiều trục

Kiểm tra điều kiện: [4, đk 5-47, tr102]

Vậy bề dày buồng bốc là 10 mm

→ Đường kính ngoài của buồng bốc :

4.4.5 Tính bền cho các lỗ Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng

Dt = 1400 mm - đường kính trong của buồng bốc

S = 10 mm - bề dày của buồng đốt k: hệ số bền của lỗ

So sánh: Ống nhập liệu Dt = 32 > dmax

Cửa sửa chữa Dt = 600 > dmax

Kính quan sát Dt = 400 > dmax

Đường kính của các ống dẫn lớn hơn dmax, do đó cần tăng cứng cho các lỗ Sử dụng bạc tăng cứng hàn vào giữa thân và ống, với bề dày tăng cứng tương đương với bề dày của thân.

Tính đáy và nắp cho thiết bị

Đáy và nắp là hai thành phần quan trọng, cùng với thân, cấu thành nên thiết bị Hình dáng của đáy và nắp phụ thuộc vào mục đích sử dụng, áp suất làm việc và phương pháp chế tạo của thiết bị.

Thiết bị nồi cô đặc bao gồm buồng bốc và buồng đốt tách rời, được kết nối bằng mặt bích, do đó chỉ cần xem xét nắp buồng bốc và đáy buồng đốt.

Nắp và đáy của thiết bị được làm từ vật liệu thép không gỉ X18H10T.

4.5.1 Tính đáy buồng đốt a Sơ lược về cấu tạo

Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1200 mm Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là α = 45 o

Tra bảng [2, bảng XIII.21, tr396]

Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 675 mm.

Thể tích đáy nón là Vđ = 0,348 m 3 Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu và lỗ để gắn vòi thử sản phẩm.

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T. b Tính toán

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

Dnbb, m – đường kính ngoài buồng bốc.

Dnbđ, m – đường kính ngoài buồng đốt.

Dtbb = 1,4 m – đường kính buồng bốc.

Dtbđ = 1,2 m – đường kính trong buồng đốt.

Theo thực tế thì Hb = 10.Hc  chọn H c = 0,2 m  V c = 0,009 m 3

Chiều cao cột chất lỏng trong thiết bị:

H’ = Hc + Hg + Hbđ + Hđ= 200 + 40 + 1500 + (40+675) = 2455 mm.

Hc là chiều cao chất lỏng trong phần nón cụt; m

Hg là chiều cao chất lỏng trong phần gờ nối buồng đốt; m

Hbd là chiều cao chất lỏng trong trong buồng đốt; m

Hd là chiều cao chất lỏng trong phần đáy nón; m. c Bề dày thực S Áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị:

Áp suất môi trường tại đáy thiết bị là Pmt = 0,155 N/mm² Bên cạnh đó, đáy cũng chịu tác động của áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng Do đó, áp suất tính toán tổng thể cần được xem xét.

Nhiệt độ tính toán: ttt = tsdd + 20 = 95,4 + 20 = 115,4 o C.

Các thông số tính toán:

D’ – Đường kính tính toán của đáy, m.

Trong đó: dt = 25 mm - đường kính trong của đáy nón (đường kính của ống tháo liệu)

Các thông số cần tra và chọn : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

 Ứng suất cho phép của vật liệu là:

Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05.10 5 N.mm -2 [4, bảng 2-12, tr30]

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 [4,bảng 1-

 Ứng suất chảy của vật liệu là

Chọn bề dày tính toán đáy S = 7 mm, bằng với bề dày thực của buồng đốt. d Kiểm tra lại bề dày đáy

Kiểm tra lại theo công thức:

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

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

Pn – áp suất tác dụng lên đáy thiết bị, N.mm -2

Lực nén chiều trục cho phép:

Trong đó : Kc là hệ số phụ thuộc vào tỷ số

 N Điều kiện ổn định của đáy:

Vậy bề dày của đáy nón là 7 mm e Tính bền cho các lỗ

Vì đáy chỉ có lỗ của ống tháo liệu nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo:

S là bề dày thiết bị, mm mm

Ca là hệ số bổ sung ăn mòn, mm

Dt là đường kính trong của nắp, mm

So sánh: Ống tháo liệu Dt = 25 mm < D max

 Không cần tăng cứng cho lỗ.

4.5.2 Tính nắp buồng bốc a Sơ lược về cấu tạo

Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn Dt = 1400 mm

Nắp có gờ và chiều cao gờ là hg = 40 mm [2, bảng XIII.12, tr385]

Nắp có 1 lỗ để thoát hơi thứ.

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T. b Bề dày thực S

Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là p0 = 0,418 at nên chịu áp suất ngoài giống với buồng bốc pn = 0,155 N.mm -2

Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là ttt = 76,4 + 20 = 96,4 o C (nắp có vỏ bọc cách nhiệt).

Chọn chiều dày tính toán của nắp S = 10 mm, bằng với bề dày buồng bốc. c Kiểm tra lại bề dày nắp

Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05.10 5 N.mm -2 [4, bảng 2-12, tr30]

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 [4,bảng 1-

6,tr11] Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

 Ứng suất chảy của vật liệu là:

N.mm -2 x = 0,7 (đối với thép không gỉ) – tỷ số giới hạn đàn hồi của vật liệu làm đáy với giới hạn chảy của nó ở nhiệt độ tính toán.

N.mm -2 – ứng suất nén cho phép của vật liệu làm nắp (tính ở buồng bốc)

Vậy bề dày của nắp ellipse là 10 mm d Tính bền cho các lỗ

Vì nắp chỉ có lỗ của ống dẫn hơi thứ nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo:

S là bề dày thiết bị, mm.

S’ là bề dày tối thiểu của thân, mm (chọn theo buồng bốc).

Ca hệ số bổ sung ăn mòn, mm.

Dt đường kính trong của nắp, mm.

So sánh: Ống dẫn hơi thứ Dt = 300 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 của nắp (10 mm).

Lựa chọn mặt bích

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như các bộ phận khác của thiết bị. mm

Công nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích, phương pháp nối và áp suất của môi trường.

Chọn mặt bích liền bằng thép để nối thiết bị giữa buồng đốt với buồng bốc, buồng bốc với nắp, buồng đốt với đáy [2, bảng

 Các thông số cơ bản của mặt bích:

Dt – đường kính trong, mm

D – đường kính ngoài của mặt bích, mm

Db – đường kính vòng bulông, mm

D1 – đường kính đến vành ngoại đệm, mm db – đường kính bulông, mm h – chiều dày mặt bích, mm

H – chiều cao mặt bích, mm

 Có 4 loại mặt bích cần phải chọn trong đồ án này là:

Mặt bích nối giữa buồng bốc với buồng đốt

Mặt bích nối giữa đáy với buồng đốt

Mặt bích nối giữa nắp với buồng bốc

Mặt bích nối giữa các bộ phận của thiết bị ống dẫn

4.6.1 Mặt bích nối giữa buồng bốc với buồng đốt

Buồng đốt và buồng bốc nối với nhau theo đường kính của buồng đốt Dt

00mm. Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,311 N.mm -2 Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,155 N.mm -2

Với py = 0.6.10 6 N.m -2 là áp suất dự phòng.

Các thông số của bích được tra từ [2, bảng XIII.27, tr421]

Bảng 4-8: Mặt bích giữa buồng bốc và buồng đốt

BUỒNG BỐC VÀ BUỒNG ĐỐT

Kích thước nối Kiểu bích

N.m -2 mm mm mm cái mm

4.6.2 Mặt bích nối giữa buồng đốt với đáy

Buồng đốt với đáy nối với nhau theo đường kính của buồng đốt Dt = 1200 mm. Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,311 N.mm -2

Với py = 0,6.10 6 N.m -2 là áp suất dự phòng.

Bảng 4-9: Mặt bích giữa buồng đốt và đáy

4.6.3 Mặt bích nối giữa buồng bốc với nắp

Buồng bốc có đường kính trong là 1400 mm và được kết nối với nắp Cả buồng bốc và nắp đều có áp suất tính toán là 0,155 N/mm².

Với py = 0,6.10 6 N.m -2 là áp suất dự phòng.

4.6.4 Mặt bích nối giữa các bộ phận của thiết bị và ống

Bảng 4-11: Mặt bích nối giữa các bộ phận của thiết bị và ống dẫn

Mm cái mm Ống nhập liệu 0,6 25 32 100 75 60 M10 4 14 Ống tháo liệu 0,6 25 32 100 75 60 M10 4 14 Ống dẫn hơi đốt 0,6 200 219 290 255 232 M16 8 22 Ống dẫn hơi thứ 0,6 300 325 435 395 365 M20 12 24 Ống dẫn nước ngưng

0,6 25 32 100 75 60 M10 4 14 Ống dẫn khí không ngưng

4.6.5 Sơ lược về cấu tạo

Chọn vỉ ống phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị để đảm bảo các ống truyền nhiệt được giữ chặt dưới tác dụng của ứng suất Vỉ ống cần duy trì hình dạng nguyên vẹn trước và sau khi thực hiện quá trình nong.

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T.

Nhiệt độ tính toán của vỉ ống bằng với nhiệt độ hơi đốt, ttt = thđ = 142,9 o C. Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 1.

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

4.6.6 Tính vỉ ống phía trên của buồng đốt a Tính chiều cao vỉ ống

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1’ được xác định theo : mm [4, CT 8-19, tr151]

K = 0,3: hệ số được chọn [4, tr151]

Dt: đường kính trong của buồng đốt, mm

P0: áp suất tính toán trong ống, N.mm -2

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định bởi công thức:

K = 0,45: là hệ số được chọn [4, tr181]

: hệ số làm yếu của vỉ ống do khoan lỗ

Dn: Đường kính của vỉ ống, mm

: tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ, mm mm

Chọn h’= 40 mm b Kiểm tra bền vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức:

Trong đó: dn là đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn = 31 mm. p0 là áp suất tính toán ở trong ống, p0 = 0,294 N.mm -2

L là được tính theo: [3, hình 8.14, tr182] mm - với các vỉ ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều Với t = 50 mm – bước ống.

Vậy chọn chiều dày vỉ ống ở trên buồng đốt là 40 mm.

4.6.7 Tính vỉ ống phía dưới của buồng đốt a Tính chiều cao vỉ ống

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1’ được xác định theo : mm [4, CT 8-19 , tr151]

K = 0,3 - hệ số được chọn [4, tr151]

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

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định bởi công thức:

Chọn h’= 40 mm. b Kiểm tra bền vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức:

(thỏa điều kiện) Vậy chọn chiều dày vỉ ống ở dưới buồng đốt là 40 mm.

4.7 Tính khối lượng và tai treo

Khối lượng tai treo cần chịu bằng tổng khối lượng của các thiết bị cộng với khối lượng dung dịch nước khi chứa đầy: m = mtb + mdd, kg

Với, mtb là tổng khối lượng thép làm thiết bị. mtb = mn + mđ + mbđ + mbb + mcụt + mvĩ + mống tn, th + mbích + mbulông + đai ốc

Vtb là thể tích của thiết bị, được đo bằng mét khối (m³) Các khối lượng liên quan bao gồm: nắp (mđ), đáy (mbd), buồng đốt (mbb), buồng bốc (mcụt), và phần nón giữa buồng bốc và buồng đốt (mống tn) Ngoài ra, khối lượng ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm (mbích) cũng rất quan trọng, cùng với khối lượng mặt bích (m).

N.mm -2 N.mm -2 ρ = 7900 kg.m -3 – đối với thép không gỉ X18H10T.

Dnbb – đường kính ngoài buồng bốc.

Dtbb = 1,4 m – đường kính trong buồng bốc.

Hbb = 2 m – chiều cao buồng bốc.

Khối lượng buồng bốc: mbb = ρ.Vbb = 7900.0,089 = 703,1 kg.

Dnbđ – đường kính ngoài buồng đốt.

Dtbđ = 1,2 m – đường kính trong buồng đốt.

Hbđ = 1,5 m – chiều cao buồng đốt.

Khối lượng buồng đốt: mbđ = ρ.Vbđ = 7900.0,04 = 316 kg.

4.7.3 Khối lượng phần nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt

Phần hình nón cụt được chế tạo từ thép không gỉ X18H10T, với đường kính trong lớn đạt 1400 mm và đường kính trong nhỏ là 1200 mm.

Bề dày phần hình nón cụt (không tính gờ) bằng với bề dày buồng bốc S = 10 mm.

Bề dày phần gờ nón cụt bằng với bề dày buồng bốc S = 10 mm.

Chiều cao của phần hình nón cụt ( không tính gờ) là Hc = 200 mm.

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

Thể tích hình nón cụt: Vcụt = 0,009 m 3

Khối lượng hình nón cụt là: mcụt = 0,009 7900 = 71,1 kg.

4.7.4 Khối lượng đáy nón Đáy nón có gờ được làm bằng thép không gỉ X18H10T góc đáy bằng 45 o C

Có đường kính trong Dt = 1,2 m và có bề dày S = 7 mm.

Tra bảng [2, bảng XIII.11, tr384]

Ta được: mđ = 92,5.1,01 = 93,4 kg, chiều cao gờ h = 40 mm và H = 675 mm.

Từ đó ta có thể tích đáy: m 3

Nắp elip được làm từ thép không gỉ X18H10T ta có các thông số sau:

Có đường kính trong Dt = 1,4 m và có bề dày S = 10 mm.

Tra bảng [2, bảng XII.11, tr384]

Ta được: mn = 183 kg, chiều cao gờ h = 40 mm và H = 350 mm. mn = 183.1,01 = 184,8 kg  V n = = 0,023 m 3

4.7.6 Khối lượng ống đốt và ống tuần hoàn trung tâm Ống đốt và ống tuần hoàn trung tâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T kg m 3

H = 1,5 m – chiều cao ống truyền nhiệt.

 = 7900 kg.m -3 – khối lượng riêng của thép X18H10T [2, bảng XII.7, tr313] dn = 0,031 m – đường kính ngoài ống truyền nhiệt. dt = 0,025 m – đường kính trong ống truyền nhiệt. n = 348 – số ống truyền nhiệt.

Dnth = 0,256 m – đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm.

4.7.7 Tính khối lượng mặt bích

Các loại mặt bích được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Có 3 loại mặt bích là:

 Mặt bích nối giữa buồng bốc với buồng đốt.

 Mặt bích nối giữa đáy với buồng đốt.

 Mặt bích nối giữa nắp với buồng bốc. a Khối lượng mặt bích nối buồng đốt với đáy, buồng bốc với buồng đốt

Thể tích mặt bích nối giữa buồng bốc với buồng đốt được tính theo công thức sau: m 3

Khối lượng mặt bích nối giữa buồng bốc với buồng đốt:

 m 1 = m2 = 7900.0,017 = 134.3 kg. b Khối lượng mặt bích nối giữa buồng bốc với nắp m 3

Vậy tổng khối lượng của mặt bích là: mbích = m1 + m2 + m3 = 134,3.2 + 181,7 = 450,3 kg.

4.7.8 Tính khối lượng vỉ ống

Vỉ ống được làm từ thép không gỉ X18H10T.

Khối lượng vỉ ống được tính theo công thức sau: kg m 3

Sđ = 0,003 m – bề dày ống đốt.

Sv = 0,04 m – bề dày của tấm vĩ.

Dt = 1,2 m – đường kính trong của buồng đốt.

Dtth = 0,25 m – đường kính trong của ống tuần hoàn. dn = 0,031 m – đường kính ngoài ống truyền nhiệt. n = 348 – số ống truyền nhiệt.

4.7.9 Tính khối lượng bulông, đai ốc

Các bulông được làm từ thép không gỉ X18H10T

Thể tích bulông ren dùng cho mặt bích nối buồng bốc với nắp: m 3

Thể tích bulông ren dùng cho mặt bích nối buồng bốc với buồng đốt và buồng đốt với đáy: m 3

Thể tích đai ốc dung cho thiết bị: m 3

Vậy tổng khối lượng của bulông và đai ốc: mbulông = = (2,497.10 -3 + 3,76.10 -3 + 1,787.10 -3 ).7900 = 63,5 kg.

Tổng hợp các thông số khối lượng đã tính toán

Hình nón cụt Đáy nón

Nắp elip Ống Mặt bích

Tổng khối lượng thép làm thiết bị: mtb = 316+703,1+71,1+93,4+184,8+1116+450,3+707+63,5= 3705,2 kg

4.7.10 Khối lượng dung dịch khi chứa đầy trong thiết bị

Thể tích dung dịch khi chứa đầy đáy nón:

Vdd(đáy) = 0,348 m 3 [2, Bảng XIII.22, tr396]

Thể tích dung dịch khi chứa đầy buồng đốt:

Thể tích dung dịch khi chứa đầy phần hình nón cụt

Db = 1,4 m – đường kính trong buồng bốc.

Dt = 1,2 m – đường kính trong của buồng đốt.

Hc = 0,2 m – chiều cao phần hình nón cụt.

Thể tích mực dung dịch tối đa trong buồng bốc:

Db = 1,4 m – đường kính buồng bốc.

Thể tích dung dịch khi đầy elip:

Vdd(elip)= 0,513 m 3 [2, bảng XIII.10, tr381]

 Tổng thể tích dung dịch khi chứa đầy thiết bị là:

Vdd tổng = Vdd (đáy) + Vdd(buongdot) + Vdd (cut) + Vdd(buongboc) + Vdd(elip)

 Tổng khối lượng dung dịch khi chứa đầy thiết bị là: mdd = Vdd tổng.ρdd = 5,911.996,9 = 5892,7 kg

Khối lượng riêng của hơi nước bão hòa ρn = 996,9 kg.m -3

 Tổng khối lượng của thiết bị khi chứa đầy dung dịch: m = mtb + mdd = 3705,2 + 5892,7 = 9597,9 kg

 Trọng lượng cực đại của thiết bị:

Chọn 4 tai treo, vật liệu làm bằng thép CT3 được hàn bền với thân thiết bị nên tải trọng cho phép trên một tai treo:

Tra bảng XIII.35,trang 437 [2] ta chọn được tai treo có giá trị theo bảng sau:

Tải trọng phép tác dụng lên một tai treo: G = 4.10 4 N

Bảng 4-12: Tai treo thiết bị thẳng đứng

Tải trọng cho phép trên một tai treo

Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ q.10 6 N.m -2

Khối lượng tai treo, kg mm kg

Chọn tấm lót tai treo theo [2, XIII.37, tr439]:

Bảng 4-13: Tai treo thiết bị thẳng đứng

Tải trọng cho phép trên một tai treo

Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi không có tâm lót

Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi có tấm lót

4.8 Kính quan sát và cửa vệ sinh

Vật liệu chế tạo bích ngoài là thép X18H10T và thuỷ tinh, lắp vào thân buồng bốc. Đường kính của kính quan sát là D = 150 mm, dày 20 mm.

Vị trí lắp đặt kính quan sát cần được xác định sao cho có thể quan sát rõ ràng cả các hiện tượng diễn ra bên trong lòng chất lỏng và các hiện tượng trên bề mặt chất lỏng.

Chọn cửa vệ sinh đặt ở phía dưới thân buồng bốc và trên buồng đốt có đường kính 600 mm nhằm đảm bảo vệ sinh thiết bị hiệu quả trong quá trình bảo trì và sửa chữa.

Hình 4-3: Tai treo và tấm lót tai treo

Kính quan sát và cửa vệ sinh

5.1.1 Sơ lược về thiết bị ngưng tụ baromet

Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:

 Dung môi dễ bay hơi

Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không, và thiết bị ngưng tụ kết hợp với bơm chân không là yếu tố quan trọng giúp hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất.

Thiết bị ngưng tụ có khả năng làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng lượng lớn hơi nước cho bơm chân không Điều này giúp giảm tiêu hao năng lượng cơ học và bảo vệ bơm khỏi hư hỏng, vì bơm chỉ hút khí không ngưng.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống là sự kết hợp giữa hơi nước và nước, diễn ra theo dòng cùng chiều hoặc ngược chiều Trong quá trình này, hơi nước truyền nhiệt cho nước, khiến nước ngưng tụ và hòa trộn với nước Sau khi quá trình trao đổi nhiệt hoàn tất, nước và nước ngưng sẽ được dẫn ra ngoài, trong khi không khí và khí không ngưng sẽ được đưa đến bơm chân không qua một cửa khác.

Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển.

5.1.2 Lượng nước tưới vào thiết bị

Gn là lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg.s -1

W là lượng hơi thứ vào thiết bị, kg.s -1 i là nhiệt lượng riêng của hơi thứ ngưng tụ, J.kg -1 i = 2632000 J.kg -1 tra theo Png = 0,4 at [1, bảng I.251, tr314]

Cn là nhiệt lượng riêng trung bình của nước, J.kg -1 độ -1

C = 4178J.kg -1 độ -1 tra theo nhiệt độ o C [1,bảng I.249, tr310]

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Thiết bị ngưng tụ baromet

5.1.1 Sơ lược về thiết bị ngưng tụ baromet

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 nhất, khí bổ sung cần được giải phóng nhằm tạo ra chân không Thiết bị ngưng tụ kết hợp với bơm chân không là hai yếu tố quan trọng trong quy trình này.

Thiết bị ngưng tụ có khả năng ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng lượng lớn hơi nước cho bơm chân không Điều này giúp giảm tiêu hao năng lượng cơ học và bảo vệ bơm khỏi hư hỏng do chỉ hút khí không ngưng.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống là sự kết hợp giữa hơi nước và nước, diễn ra theo dòng cùng chiều hoặc ngược chiều Trong quá trình này, hơi nước truyền nhiệt cho nước, khiến nước ngưng tụ và hòa cùng với nước Sau khi quá trình trao đổi nhiệt hoàn tất, nước và nước ngưng sẽ được dẫn ra ngoài, trong khi không khí và khí không ngưng sẽ được đưa đến bơm chân không qua một cửa khác.

Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển.

5.1.2 Lượng nước tưới vào thiết bị

Gn là lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg.s -1

W là lượng hơi thứ vào thiết bị, kg.s -1 i là nhiệt lượng riêng của hơi thứ ngưng tụ, J.kg -1 i = 2632000 J.kg -1 tra theo Png = 0,4 at [1, bảng I.251, tr314]

Cn là nhiệt lượng riêng trung bình của nước, J.kg -1 độ -1

C = 4178J.kg -1 độ -1 tra theo nhiệt độ o C [1,bảng I.249, tr310] t2đ, t2c lần lượt là nhiệt độ của nước làm nguội vào và ra khỏi thiết bị, o C

 t 2đ = 25 o C (nhiệt độ nước thực tế đo được tại Cần Thơ)

[tiêu chuẩn về nước thải công nghiệp – tiêu chuẩn thải, TCVN5945:2005].

5.1.3 Lưu lượng không khí và khí ngưng cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ

Gkk = 0,000025.W + 0,000025.Gn + 0,01.W, kg.s -1 [2, CT VI.47, tr84]

5.1.4 Thể tích không khí cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ m 3 s -1 [2, CT VI.49, tr84] m 3 s -1

P là áp suất chung của hỗn hợp trong thiết bị ngưng tụ, N.m -2

Ph là áp suất của hơi nước trong hỗn hợp, N.m -2

Ph = 0,0345 at lấy bằng áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ không khí (tkk).

 P h = 3383,35 N.m -2 tkk = t2đ + 4 + 0,1.(t2c – t2đ) o C [2, CT VI.50, tr84] tkk = 25 + 4 + 0,1.(40 – 25) = 30,5 o C.

5.1.5 Các kích thước của thiết bị ngưng tụ baromet a Đường kính của thiết bị ngưng tụ baromet

Thường người ta lấy năng suất tính toán của thiết bị ngưng tụ lớn hơn 1,5 lần năng suất thực tế của nó. m [2, CT VI.52 tr84] m

Dtr là đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, m

Lượng hơi nước ngưng tụ được tính bằng W = 0,639 kg.s -1, với khối lượng riêng của hơi là ρh = 0,2456 kg.m -3 theo Png [1, bảng I.251, tr314] Tốc độ của hơi trong thiết bị được chọn là ωh = 30 m.s -1.

Tấm ngăn có dạng hình viên phân với chiều rộng là: mm [2, CT VI.53, tr85]

Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ và sử dụng nước làm nguội là nước bẩn nên lấy đường kính các lỗ là 3 mm.

Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, cụ thể là trên một cặp tấm ngăn, là m².

Gc là lưu lượng nước tính bằng m³/s, phụ thuộc vào lượng hơi ngưng tụ và thường dao động trong khoảng từ 15 đến 60W, với Gc được chọn là 60W Tốc độ của tia nước, ký hiệu là ωc, thường được tính bằng m/s.

Chiều dày của tấm ngăn thường 3 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép nguyên và ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít nên độ nhám tuyệt đối là: ε = 0,2 mm [1, bảng II.15, tr381]

Khu vực quá độ: Regh < Re < Ren

Hệ số ma sát được tính theo công thức: [1, CT II.64, tr380]

Tổng chiều cao thiết bị ngưng tụ: H = H ng + Hb = 4,75 + 6,88 = 11,63 m

Tính bơm

Công suất bơm chân không được tính theo công thức:

Chỉ số đa biến m có giá trị từ 1,2 đến 1,62, với m được chọn là 1,5 Áp suất không khí trong thiết bị ngưng tụ được tính theo công thức p1 = pkk = Pc - Ph, trong đó Pc = 0,4 at và Ph = 0,0345 at, dẫn đến p1 = 0,3655 at Áp suất khí quyển được xác định là p2 = 1 at.

Vkk là lưu lượng thể tích cần hút, Vkk = 0,018 m 3 s -1 ηck là hệ số hiệu chỉnh ηck = 0,8.

5.2.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ

Công suất bơm được tính theo công thức sau:

H là cột áp của bơm, m η là hiệu suất của bơm (Chọn η = 0,75) ρ là khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ t2đ = 25 0 C, ρ = 996,9 kg.m -3 g là gia tốc trọng trường g = 9,81 m.s -2

Q là lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào baromet: m 3 s -1

Phương trình bernoulli cho hai mặt cắt 1-1 (mặt thoáng bể nước) vào 2-2 (mặt thoáng thiết bị baromet).

Trong đó: ρ = 996,9 kg.m -3 : khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ 25 o C. v1 = v2 : vận tốc chảy của nước trong ống, m.s -1

P1 = Pkq = 1 at: áp suất khí quyển.

P2 = Png = 0,4 at: áp suất trong thiết bị ngưng tụ.

Z1 = 2 m: khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất.

Z2 = 12 m: khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất.

H: cột áp của bơm, m. h1-2: tổng tổn thất trên đường ống, m.

Tốc độ của dòng chảy trong ống: m 3

Trong đó: μ = 0,892.10 -3 Ns.m -2 : độ nhớt động lực của nước ở 25 o C [1, CT I.249, tr310]

Chọn ống thép không gỉ X18H10T nên độ nhám ε = 0,2 mm

Hệ số ma sát được tính: [1, CTII.64 ,tr380 ]

Tổng hệ số tổn thất cục bộ:  =  vào +  khuỷu 90 +  van 1 chiều +  van +  ra

Hệ số tổn thất cục bộ tại miệng ống vào :  vào = 0,5

Hệ số tổn thất cục bộ tại miệng ống ra :  ra = 1

Hệ số tổn thất cục bộ tại khuỷu 90 0 :  khuỷu 90 = 1

Hệ số tổn thất cục bộ tại van :  van = 4,1

Vậy tổng tổn thất cục bộ là:   0,5 1,0 1,5 4,1 1 8,1    

Tổng tổn thất: m [2, CT VI.61, tr87]

Công suất tiêu thụ thực của bơm: kW [1, CT II.190, tr439]

: công suất truyền động (chọn )

: công suất động cơ (chọn )

Công suất để bơm làm việc an toàn: kW [1, CT II.32, tr439]

Trong đó: β: hệ số làm việc an toàn của công suất, phụ thuộc vào đại lượng Nđc

5.2.3 Bơm đưa dung dịch ban đầu lên bồn cao vị

H là cột áp của bơm, m η là hiệu suất bơm (chọn η = 0,75) Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 10% ở 25 oC là ρ = 1106,75 kg/m³, và gia tốc trọng trường g được xác định là 9,81 m/s².

Q là lưu lượng thể tích dung dịch NaOH được bơm vào bồn cao vị: m 3 s -1

Phương trình bernoulli cho hai mặt cắt 1 –1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) vào 2 –2 (mặt thoáng của bồn cao vị)

Trong đó: ρ = 1106,75 kg.m -3 : khối lượng riêng của dung dịch 10 % ở 25 o C v1 = v2 : vận tốc chảy của nước trong ống, m.s -1

P1 = 1 at: áp suất trong bồn chứa nguyên liệu = áp suất khí quyển.

P2 = 1 at: áp suất trong bồn cao vị = áp suất khí quyển.

Z1 = 2 m: khoảng cách từ mặt thoáng của nguyên liệu đến mặt đất.

Z2 = 12 m: khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất.

Tốc độ của dòng chảy trong ống: m.s -1

Trong đó: μ= 1.655.10 -3 Ns.m -2 : độ nhớt động lực của dung dịch NaOH 10 % ở 25 o C

Chọn thép không gỉ X18H10T trong điều kiện ăn mòn ít nên độ nhám ε = 0,2 mm

Hệ số ma sát được tính: [1, CTII.64, tr380]

Tổng hệ số tổn thất cục bộ:

 =  vào + 2. khuỷu 90 +  van +  ra [1, CT II.16, tr383,394,397]

Vậy tổng tổn thất cục bộ là:

Tổng tổn thất: [2, CT VI.61, tr87] m

Công suất của bơm: kW

Công suất tiêu thụ thực của bơm: kW [1, CT II.190, tr439] ηtr: công suất truyền động (chọn ηtr = 0,99) ηdc: công suất động cơ (chọn ηdc = 0,95)

Trong đó: β: hệ số làm việc an toàn của công suất

Cột áp của bơm (H) và hiệu suất của bơm (m η) là những yếu tố quan trọng trong quá trình tính toán Trong đó, hiệu suất bơm được chọn là η = 0,75 Khối lượng riêng của dung dịch NaOH ở nồng độ 30% tại điều kiện tiêu chuẩn được xác định là ρ = 1279 kg/m³ Gia tốc trọng trường được sử dụng trong các tính toán là g = 9,81 m/s².

Q là lưu lượng thể tích dung dịch NaOH được tháo khỏi nồi: m 3 s -1

Phương trình bernoulli cho hai mặt cắt 1 –1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) vào 2 –2 (mặt thoáng thiết bị ngưng tụ)

Trong đó: ρ = 1279 kg.m -3 : khối lượng riêng của dung dịch 30% ở tsdd. v1 = vhút = v, m.s -1 v2 = 0 m.s -1

P2 = 1 at: áp suất khí quyển.

Z1 = 1 m: khoảng cách của phần nồi giữa ống tháo liệu đến mặt đất.

Z2 = 2 m: khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa sản phẩm đến mặt đất.

Tốc độ của dòng chảy trong ống: m.s -1

=2,18.10 -3 Ns.m -2 :độ nhớt động lực của dung dịch NaOH 30 % ở tsdd

Chọn ống thép X18H10T trong điều kiện ăn mòn ít nên độ nhám ε = 0,2 mm

 =  vào + 2. khuỷu 90 +  van +  ra [1, CT II.16, tr383,394,397]

Hế số tổn thất cục bộ tại miệng ống vào :  vào = 0,5

Hệ số tổn thất cục bộ tại khuỷu 90 0 :  khuỷu 90 = 1; có 4 khuỷu 90 o C.

Hệ số tổn thất cục bộ tại van cửa :  van = 1,5; có 2 van cửa.

Vậy tổng tổn thất cục bộ là:

Tổng tổn thất: [2, CT VI.61, tr87] m

Công suất tiêu thụ thực của bơm: kW [1, CT II.190, tr439] ηtr : công suất truyền động (chọn ηtr = 0,99) ηdc: công suất động cơ (chọn ηdc = 0,95)

Trong đó: β: hệ số làm việc an toàn của công suất

Bồn cao vị

Bồn cao vị được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng dung dịch nhập liệu, với vị trí đặt bồn cao hơn mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc để vượt qua các trở lực của đường ống Việc áp dụng phương trình Bernoulli cho hai mặt cắt 1 – 1 (mặt thoáng bồn cao vị) và 2 – 2 (mặt thoáng nồi cô đặc) giúp phân tích và tối ưu hóa quá trình lưu chuyển của dung dịch.

Trong đó: v1 = v2 p1 = 1 at p2 = phb = 0,4 at

06,75 kg.m -3 z2: khoảng cách từ mặt thoáng dung dịch trong nồi cô đặc tới mặt đất z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = 1 + 0,675 + 1,5 + 0,04 + 0,2 = 3,415 z’ là chiều cao từ cửa tháo liệu đến mặt đất, m

Hđ là chiều cao của đáy thiết bị, m

Hbđ là chiều cao của buồng đốt, m

Hgc là chiều cao của gờ phần nón cụt, m

Hc là chiều cao của phần nón cụt, m Đường kính ống nhập liệu là d = 32 mm = 0,032 m.

Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc là l = 15 m.

Tốc độ của dung dịch ở trong ống:

Re = ≥ 4000 (chế độ chảy rối)

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít [1, bảng II.15, tr381]

⇒ độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm.

Tổng tổn thất trên đường ống m

Khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất: m

Dung dịch NaOH 10 % luôn tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc của nồi cô đặc khi bồn có độ cao từ 10,33m trở lên.

Chọn khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là 11 m.

Bề dày lớp cách nhiệt

5.4.1 Bề dày lớp cách nhiệt ống Để hạn chế quá trình tổn thất nhiệt trong quá trình hoạt động thiết bị, người ta thường dùng lớp cách nhiệt cho thiết bị.

Để tính toán độ dày của lớp cách nhiệt bọc các ống dẫn trong điều kiện nhiệt độ môi trường xung quanh khoảng 25°C và khi có sự chuyển động tự do của không khí, có thể áp dụng công thức được nêu trong tài liệu CT V.137, trang 41.

Đường kính ngoài của ống dẫn (không bao gồm lớp cách nhiệt) được ký hiệu là d2, tính bằng mm Hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt được ký hiệu là λ, đo bằng W.m -1 độ -1 Nhiệt độ bề mặt ngoài của ống dẫn kim loại (không tính lớp cách nhiệt) được ký hiệu là tt2, tính bằng độ C Nhiệt tổn thất theo một mét chiều dài ống dẫn được ký hiệu là q1, tính bằng W.m -1.

Chọn vật liệu cách nhiệt cho ống dẫn hơi đốt là amiăng.

5.4.2 Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi đốt

Chọn dn = 57 mm : đường kính ngoài của lớp cách nhiệt

 q1 = 71,76 : nhiệt tổn thất tra theo bảng [2, bảng V.7, tr42]

 λ: hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt tra theo hình [1, hình I.36, tr129]

 d2 = 0,219 m : đường kính ngoài của ống dẫn

→ Bề dày lớp cách nhiệt m mm

5.4.3 Cách nhiệt cho buồng đốt

Bề dày lớp cách nhiệt cho buồng đốt được tính theo công thức: mm [2, CT VI.66, tr92]

: hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí

W.m -2 độ -1 tT2 : nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí vào khoảng 40 - 50 o C tT1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị (lấy bằng nhiệt độ hơi đốt), o C tkk : nhiệt độ không khí, o C

Tra bảng [2, bảng VII.1,tr97], chọn nhiệt độ không khí tkk = 26,5 o C

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu amiăng có độ ẩm 50%, λc = 0,07 W.m -1 độ -1

Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí:

→ Bề dày lớp cách nhiệt mm.

5.4.4 Cách nhiệt cho buồng bốc và nắp buồng bốc

Bề dày lớp cách nhiệt cho buồng bốc được tính giống buồng đốt theo công thức: mm [2, CT VI.66, tr92]

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu amiang có độ ẩm 50%, λc = 0,07 W.m -1 độ -1

→ Bề dày lớp cách nhiệt mm.

5.4.5 Cách nhiệt cho đáy thiết bị

Bề dày lớp cách nhiệt cho đáy thiết bị được tính giống như trên mm [2, CT VI.66, tr92]

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu amiang có độ ẩm 50%, λc = 0,07 W.m -1 độ -1

→ Bề dày lớp cách nhiệt

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	805,89 KB