GIỚI THIỆU
Tổng quan về nguyên liệu
Dứa hay thơm hay khóm, tên khoa học
Ananas comosus, là một loại quả nhiệt đới được trồng chủ yếu ở châu Mỹ La – Tinh, nhiều nhất ở
Brazil là nơi khóm được trồng phổ biến sau khi phát hiện ra châu Mỹ Loại trái cây này đã được mang đến hầu hết các quốc gia nhiệt đới và một số nước á nhiệt đới có mùa đông ấm như Hawaii.
33% sản lượng thế giới), Thái Lan (16%), Brazil
Cây khóm lần đầu được phát hiện vào năm 1943 khi Christopher Columbus và đội ngũ của ông đặt chân lên đảo Guadeloupe Đến thế kỷ XVI, khóm đã được trồng rộng rãi ở nhiều quốc gia, gắn liền với sự phát triển của ngành hàng hải của Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha Tại Việt Nam, đến cuối năm 1989, diện tích trồng khóm đạt 35.338 ha, trong đó miền Bắc có 6.482 ha và miền Nam có 28.856 ha Đặc biệt, vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) chiếm 72,45% tổng diện tích trồng dứa cả nước, với Kiên Giang sở hữu 13.000 ha, tương đương 36,8% diện tích trồng khóm.
Khóm là một trong ba loại quả chủ lực của Việt Nam, bên cạnh cam và chuối Loại quả này không chỉ được trồng rộng rãi trong nước mà còn phổ biến toàn cầu, với hơn 70% sản lượng khóm sau thu hoạch được tiêu thụ tươi và phần còn lại dùng cho chế biến xuất khẩu Khóm thích hợp với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao, phát triển quanh năm trong môi trường thuận lợi Tại đồng bằng sông Cửu Long, khóm đóng vai trò quan trọng, giúp mở đường cho các loại cây trồng khác như mía, chuối và cam Ngoài ra, khóm còn có nhiều ưu điểm nổi bật trong sản xuất nông nghiệp.
Cây khóm sợi có hợp chất Saponin chống cháy
Khóm có tính giải khát, khóm làm cơ thể chống béo, ít béo phì
Rễ cây khóm còn có tác dụng lợi niệu cao được lưu truyền trong dân gian như vị thuốc dùng để chữa bệnh sỏi đường tiết niệu
Khóm còn là thực phẩm dễ chế biến, xào nấu trong các bữa ăn nhất là các món chua ngọt
Lá khóm dùng để lấy sợi (lá có 2 – 2,5% cellulose) sử dụng trong công nghiệp dệt
Thân khóm chứa 12,5% tinh bột, là nguyên liệu dùng để lên men, chuyển hóa thành môi trường nuôi cấy nấm và Vi Khuẩn
Khóm chứa enzyme bromelin, một loại enzyme hỗ trợ tiêu hóa hiệu quả Bromelin đã được chiết xuất và tinh chế thành các chế phẩm phục vụ cho ngành thực phẩm, thuộc da và sản xuất vật liệu làm phim Ngoài ra, sản phẩm phụ từ quá trình chế biến khóm còn được sử dụng làm nguyên liệu lên men trong sản xuất thức ăn gia súc.
* Khóm được chia làm 7 nhóm trong đó có 3 nhóm chính là: nhóm Cayenn, nhóm Queen, nhóm Spanish
+ Nhóm Cayenn: Quả có dạng hình trụ, mắt nông Quả bình thường nặng 1,2-2 kg, thích hợp cho chế biến làm đồ hộp, chứa nhiều nước và vỏ mỏng
Nhóm Queen là loại quả có nhiều mắt nhỏ, lồi cứng, dễ dàng trong việc vận chuyển Thịt quả có màu vàng, ít nước nhưng lại mang hương vị thơm ngon hấp dẫn Quả có kích thước nhỏ, trọng lượng trung bình từ 500-700 g mỗi trái.
Nhóm quả Spanish có kích thước lớn hơn nhóm quả Queen, với khối lượng khoảng 1 kg Quả có hình dạng cân đối, hơi hình trụ, thịt màu vàng trắng không đều và có mắt sâu, mang vị chua đặc trưng.
Bảng : Thành phần hóa học của khóm
Quá trình cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi.
Quá trình cô đặc thường diễn ra khi dung dịch đang sôi, tức là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch đạt bằng áp suất làm việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc có thể diễn ra ở nhiều mức áp suất khác nhau Khi thực hiện ở áp suất khí quyển, thiết bị hở được sử dụng, trong khi thiết bị kín được áp dụng cho các áp suất khác.
Quá trình cô đặc có thể được thực hiện theo hai hình thức: gián đoạn hoặc liên tục Hệ thống cô đặc có thể là một nồi đơn hoặc nhiều nồi, tùy thuộc vào yêu cầu và quy mô sản xuất.
Quá trình cô đặc được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm với mục đích:
─ Làm tăng nồng độ các dung dịch loãng.
─ Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh).
─ Thu dung môi ở dạng nước nguyên chất (cất nước).
1.2.2.1 Các loại thiết bị cô đặc
Người ta thường phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau:
─ Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng.
Theo chất tải nhiệt, quá trình đun nóng có thể được thực hiện bằng hơi nước bão hòa hoặc hơi quá nhiệt, khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao như dầu và nước ở áp suất cao, hoặc bằng dòng điện.
─ Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức
─ Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm.
Trong công nghiệp hóa chất thường dùng các thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi, loại này bao gồm các phần chính sau:
─ Phòng đốt – bề mặt truyền nhiệt.
Phòng phân ly hơi là không gian được thiết kế để tách hơi khỏi dung dịch, trong khi bộ phận tách bọt giúp loại bỏ những giọt lỏng do hơi mang theo Các thiết bị cô đặc chủ yếu bao gồm những công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa quá trình tách biệt các thành phần trong hỗn hợp.
─ Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm.
─ Thiết bị cô đặc phòng đốt treo.
─ Thiết bị cô đặc loại phòng đốt ngoài.
─ Thiết bị cô đặc loại có tuần hoàn cưỡng bức.
─ Thiết bị cô đặc loại màng.
─ Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng.
─ Thiết bị cô đặc loại roto.
1.2.2.2 Yêu cầu chung đối với thiết bị cô đặc
Thích ứng được đối với tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn
Có hệ số truyền nhiệt lớn, bởi vì khi nồng độ tăng hệ số truyền nhiệt giảm.
Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụ, lấy nhiệt cho cấp cô đặc tiếp theo.
Hơi đốt hoặc hơi thứ cấp giúp phân bố đều hơi đốt trong không gian giữa các ống của dàn ống, đồng thời đảm bảo tách biệt các khí không ngưng còn lại sau quá trình ngưng tụ hơi đốt.
Việc làm sạch bề mặt bên trong các ống trở nên dễ dàng hơn, bởi vì khi dung dịch bốc hơi, nó sẽ để lại cặn bẩn trên bề mặt bên trong ống.
Giá thành rẻ, dễ dàng chế tạo
Thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm:
Cấu tạo: Có 2 phần chính gồm buồng đốt và buồng bốc dính liền nhau.
Phần dưới của thiết bị bao gồm buồng đốt với các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn lớn ở giữa Dung dịch được dẫn bên trong ống, trong khi hơi đốt đi vào không gian xung quanh ống.
Buồng bốc nằm phía trên buồng đốt, có chức năng tách hơi thư khỏi hỗn hợp hơi lỏng Trong buồng bốc, bộ phận tách bọt giúp loại bỏ những giọt lỏng do hơi thứ mang theo Việc sử dụng buồng bốc mang lại nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
- Cấu tạo đơn giản, dễ sữa chữa làm sạch
- Thuận tiện quan sát, lắp ráp thay thế và sửa chửa
- Có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có nhiều váng cặn.
Tuy nhiên, Tốc độ tuần hoàn còn bé nên hệ số truyền nhiệt “K” thấp
Dung dịch từ thùng (1) được bơm lên thùng (3) và chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị đun nóng (5), nơi dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi Sau đó, dung dịch đi vào thiết bị cô đặc (6) để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi thứ và khí không ngưng sẽ thoát ra từ phía trên của thiết bị cô đặc và thiết bị ngưng tụ.
Trong thiết bị ngưng tụ, nước lạnh được phun từ trên xuống để ngưng tụ hơi thành lỏng, trong khi khí không ngưng sẽ đi qua thiết bị phân ly bọt.
(8) vào bơm hút chân không
Dung dịch sau khi cô đặc được lấy ra phía dưới thiết bị và đi vào thùng chứa sản phẩm
Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi
Hình: Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi
1 Thùng chứa dung dịch 8 Thùng chứa sản phẩm
2 Bơm dung dịch đầu 9 Thiết bị ngưng tụ chân cao
3 Thùng cao vị 10 Bộ phận phân ly bọt
4 Lưu lượng kế 11 Ống baromet
5 Thiết bị đung nóng 12 Thùng chứa nước ngưng
6 Thiết bị cô đặc 13 Ống chảy tràn
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH
Cân bằng vật liệu
2.1.1 Lượng hơi thứ bốc lên trong hệ thống
Trong đó: W: lượng hơi thứ bốc lên trong hệ thống cô đặc (kg/mẻ/h)
Gd: lượng dung dịch ban đầu (kg/mẻ/h) xd, xc: nồng độ đầu và cuối của dung dịch (%khối lượng)
2.1.2 Lượng dung dịch sau khi cô đặc
Gọi Gc là lượng dung dịch sau khi cô đặc
Phương trình cân bằng của chất rắn hòa tan d d c c d d c c
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn hệ thống
Chọn áp suất hơi đốt
Suy ra áp suất tuyệt đối của hơi đốt
Nhiệt độ hơi đốt: t hd 115 o C (tra bảng II-7_trang 39_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
2.2.1 Chia nồng độ dung dịch từ x d = 20% đến x c = 50% thành 6 khoảng nồng độ
Do lượng nhập liệu ban đầu khá lớn nên ta tiến hành nhập liệu theo từng đợt lần lượt như sau: 40%, 25%, 15%, 10%, 7%, 3%.
��� �� ��� �� Lượng dung dịch còn lại sau khi cô đặc đến nồng độ 25%
Sau khi nhập liệu tiếp 25% Gd, lượng dung dịch trong nồi là
Nồng độ dung dịch lúc này là
Lượng nước mất đi khi cô đặc đến nồng độ 30%
��� �� ��� �� Lượng dung dịch còn lại khi cô đặc đến nồng độ 30%
Tính toán tương tự cho các khoảng nồng độ còn lại ta được kết quả sau:
Lượng thêm vào (kg) G d (kg) G c (kg) W (kg) Nồng độ trung bình (%)
2.2.2 Xác định áp suất và nhiệt độ
Chọn áp suất hơi ngưng tụ là 650mmHg Vậy áp suất hơi ngưng tụ tuyệt đối là
(Tra bảng II-7_trang 39_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm) ta được nhiệt độ hơi ngưng tụ t ngt 48,32 o C
Ta có nhiệt độ hơi thứ bằng nhiệt độ hơi ngưng tụ +(1÷2 o C)
(Tra bảng II-7_trang 39_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm) ta được áp suất hơi thứ
2.2.3 Xác định nhiệt tổn thất
2.2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao
' 0: tổn thất nhiệt ở áp suất thường ( o C) f: hệ số hiệu chỉnh (vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác áp suất thường).
Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị bằng nhiệt độ hơi thứ.
T m 50 o C323 o K r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc (J/kg)
2380.103 / r J kg(tra bảng II-7_trang 39_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
Thế vào công thức trên ta được
Dựa vào 6 khoảng nồng độ, tra trên website http:// www.sugartech.com ta được ' 0 và xác định ' x tb (%) ' 0 ( o C) ' ( o C)
2.2.3.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh '
Hình: Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nhiệt độ của hơi đốt và dung dịch
T: nhiệt độ hơi đốt. t*: nhiệt độ sôi của dung dịch có giá trị lớn nhất. t**: nhiệt độ sôi của dung dịch ở bề mặt chất thoáng. ttb: nhiệt độ sôi của dung dịch, kí hiệu ts. tht: nhiệt độ hơi thứ. tng: nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ.
': tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao.
∆ ’’ : tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh.
Tổn thất nhiệt trong quá trình ngưng tụ xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và hơi trên bề mặt Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu, với áp suất ở bề mặt dung dịch tương đương với áp suất hơi trong phòng bốc hơi, trong khi áp suất ở đáy ống lại bằng áp suất phía trên.
3 2 mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống Trong tính toán, ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch:
Ptb: áp suất trug bình (N/m 2 )
P’: áp suất trên bề mặt dung dịch (N/m 2 )
Áp suất thủy tĩnh (ΔP) được xác định từ mặt dung dịch đến giữa ống, được đo bằng đơn vị N/m² Chiều cao của lớp dung dịch (h1) được tính từ miệng ống đốt đến mặt chất thoáng của dung dịch, với đơn vị đo là mét (m).
Chọn: h1 = 0,5m h2: chiều cao của ống đốt (m)
s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m 3 )
: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m 3 ) g: gia tốc trọng trường (m/s 2 ) g = 9,81m/s 2
Dựa vào 6 khoảng nồng độ trung bình tra bảng trang web www.rpaulsingh.com ta xác định được các giá trị tương ứng, từ đó suy ra s , P,
P tb tương ứng x tb (%) (kg/m 3 ) s (kg/m 3 ) P (N/m 2 ) P (at) P tb (at)
Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh được xác định bằng cách lấy hiệu số giữa nhiệt độ trung bình (ttb) và nhiệt độ của dung dịch tại mặt thoáng (tht).
Có Ptb, tra bảng II-7_trang 39_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm, ta được các ttb tương ứng, từ đó được các ∆ ’’ theo công thức trên: t tb ( o C) 57,43 57.76 58,29 58,91 59,62 60,40
2.2.3.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống
Thường chấp nhận mức tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ đến thiết bị ngưng tụ là ∆ ’’’ = 1 o C
2.2.3.4 Tổn thất chung cho toàn hệ thống cô đặc
2.2.4 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi
2.2.4.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch s ht t t ∆ ’ + ∆ ’’ tht = 50 o C
2.2.4.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích i hd s t t t
- Chon áp suất tuyệt đối của hơi đốt :Ptuyệt đối =1,721 (atm)
Suy ra nhiệt độ hơi đốt :thd = 115 o C (Bảng II-7_Trang 39_Phan Văn Thơm)
Tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt
Thiết bị cô đặc bao gồm hai phần chính: buồng đốt và buồng bốc, được kết nối chặt chẽ thành một khối thống nhất.
Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát sau:
(Bảng III-16_trang 114_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm) Trong đó:
F: bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt (m 2 )
Q: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (W)
K: hệ số truyền nhiệt (W/m 2 độ)
∆ti: hiệu số nhiệt độ hữu ích ( o C)
2.3.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
Q D r Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg) r = 2221.10 3 J/kg (tra bảng III-16_trang 114_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm) D: lượng hơi đốt (kg/s)
Ta có hệ thống sơ đồ nhiệt
D: lượng hơi đốt (hơi sống) dùng cho hệ thống (kg/h) r: hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg) i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg) td, tc: nhiệt độ sôi ban đầu và ra khỏi nồi của dung dịch ( o C)
Cd, Cc: nhiệt dung riêng ban đầu và ra khỏi nồi của dung dịch (J/kg.độ)
Cn: nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ (J/kg.độ)
Gd, Gc: lượng dung dịch ban đầu và ra khỏi nồi (kg/h)
Qxq: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/s)
: nhiệt độ của nước ngưng tụ ( o C)
W: lượng hơi thứ bốc lên (kg/h)
2.3.1.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Thay vào công thức trên ta được
Cn = 4241,5 J/kg.độ (theo bảng II-6, trang 37, sổ tay thiết kế Phan Văn Thơm), r = 2221.10³ J/kg (theo bảng II-7, trang 39, sổ tay thiết kế Phan Văn Thơm) và i = 2589,5.10³ J/kg (theo bảng II-6, trang 37, sổ tay thiết kế Phan Văn Thơm) Giả sử nhập liệu ở nhiệt độ sôi, ta có td = tc.
Thay các số liệu vào ta tính được D t s 57,643 58,044 58,645 59,407 60,259 61,181
Từ đó ta tính được lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp(Q): x tb (%) 22,5 26,25 31,56 36,90 42,11 47,33
Trong đó: K: hệ số truyền nhiệt (W/m 2 o C)
1, 2: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và phía chất lỏng sôi (W/m 2 o C) � r : tổng nhiệt trở (m 2 o C/W) q q 2 t m1 t 1 tm2 tT1 tT2 q 1
(Công thức VIII-10_trang 234_sổ tay thiết kế _Phan Văn Thơm)
Trong bài viết này, chúng ta đề cập đến các thông số nhiệt trở của hệ thống ống truyền nhiệt Cụ thể, nhiệt trở của hơi nước có lẫn dầu nhớt được xác định là r1 = 0,232.10^-3 m².°C/W, theo bảng II-36 trong sổ tay thiết kế của Phan Văn Thơm Ngoài ra, nhiệt trở của lớp cặn bẩn là r2 = 0,387.10^-3 m².°C/W, cũng được trích dẫn từ bảng II-36 Bề dày của ống truyền nhiệt được ký hiệu là δ (m).
Chọn ống truyền nhiệt bằng thép TC3, có:
2.3.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
�� �� ,W/m 2 độ (Công thức VIII-26_trang 238_sổ tay thiết kế_ Phan Văn Thơm)
� � A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của màng nước ngưng t m o C 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Trong đó: r: ẩn nhiệt của hơi ngưng tụ (J/kg) r = 2221.10 3 J/kg (tra bảng II-7 _trang 39_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm theo áp suất hơi đốt 1,7106at)
: khối lượng riêng của nước ngưng (kg/m 3 )
: hệ số dẫn nhiệt của nước ngưng (W/m 2 o C)
: độ nhớt của nước ngưng (N.s/m 2 )
H: chiều cao thẳng đứng của ống truyền nhiệt (m) H = h2 = 1m
t i : hệ số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị ( o C)
Các đại lượng , , lấy theo nhiệt độ màng nước ngưng.
(Công thức VIII-27_trang 238_sổ tay thiết kế _ Phan Văn Thơm)
Trong đó: t1: nhiệt độ hơi đốt ( o C) tT1: nhiệt độ thành thiết bị phía tiếp xúc với hơi đốt ( o C)
Giả sử các giá trị t 1ứng với từng nồng độ ta sẽ tính được 1
2.3.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi
(Công thức VIII-7_trang 234_sổ tay thiết kế_ Phan Văn Thơm)
: hệ số hiệu chỉnh của dung dịch
n : hệ số cấp nhiệt khi nước sôi sủi bọt, đối lưu tự nhiên và áp suất làm việc 0,2 – 100at.
* Tính hệ số hiệu chỉnh
� � �� � � �� �� (Công thức VIII-9_trang 234_sổ tay thiết kế_ Phan Văn Thơm)
Độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của dung dịch được xác định tương ứng với nhiệt độ sôi, trong đó chỉ số “dd” đại diện cho dung dịch và chỉ số “n” biểu thị cho nước.
Tra bảng II-6_trang 36_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm tìm được các thông số của nước theo nhiệt độ sôi của dung dịch.
Nồng độ trung bình 22,5 26,25 31,56 36,90 42,11 47,33 t sdd 57,643 58,044 58,645 59,407 60,259 61,181
(N.s/m 2 ) 0,487.10 -3 0,484.10 -3 0,480.10 -3 0,474.10 -3 0,468.10 -3 0,461.10 -3 Nhiệt dung riêng của dung dịch Cdd được tra trên trang wed www.rpaulsing.com dựa theo nồng độ trung bình và nhiệt độ sôi của dung dịch
Nồng độ trung bình % 22,5 26,25 31,56 36,90 42,11 47,33 t sdd 57,643 58,044 58,645 59,407 60,259 61,181
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ddđược tính theo công thức
T: nhiệt độ sôi của dung dịch (K)
%H2O: nồng độ % của nước trong dung dịch. Độ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch: tra trang wed http://sugartech.com và www.rpaulsing.com ta được:
Thay các số liệu trên vào ta được:
Trong đó P: áp suất làm việc (at)
PP ht atm q 1: nhiệt tải riêng (W/m 2 )
Từ và n ta suy ra được 2
Nhiệt tải riêng của hơi đốt cung cấp cho thành thiết bị:
1 1 1 1 1 T 1 q t t t (W/m 2 ) (Công thức VIII-11a_trang 234_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
1: hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ (W/m 2 độ)
t 1: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi nước và thành thiết bị tiếp xúc với hơi đốt ( o C)
Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi
2: hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch (W/m 2 độ)
t 2: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ của thành thiết bị phía tiếp xúc với nhiệt độ sôi của dung dịch ( o C)
Vậy t 2 t T 2q 1.�r t s Để đảm bảo truyền nhiệt là ổn định thì q1 và q2 phải gần bằng nhau, do đó ta phải chọn t 1 sao cho ứng với giá trị t 1 ta có
q � (nếu q1>q2) Tóm lại để tính hệ số truyền nhiệt K Ở nồng độ 22,5%
Giả sử các giá trị t i tương ứng với từng nồng độ Tính toán tương tự ta được kết quả ở bảng sau: x tb (%) 22,5 26,25 31,56 36,90 42,11 47,33 Δt 1 4,10 3,90 3,65 3,32 2,95 2,55 t T1 110,90 111,10 111,35 111,68 112,05 112,45 t m 112,95 113,05 113,18 113,34 113,53 113,73
Tính toán tương tự như trên ta lần lượt có các giá trị F trong bảng sau:
Ta tính được bề mặt truyền nhiệt:
Từ đó suy ra bề mặt truyền nhiệt thực tế:
Kích thước buồng bốc và buồng đốt
2.4.1 Kích thước buồng bốc: Đường kính buồng bốc: b b b H
(Công thức III.22 trang 120 – Sổ tay thiết kế - Phan Văn Thơm)
Hb: chiều cao không gian hơi (m)
Vb: thể tích buồng bốc (m 3 )
(m 3 ) (Công thức III.23 trang 120 – Sổ tay thiết kế - Phan Văn Thơm). Trong đó:
Wmax: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (kg/h)
h : khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m 3 ) dựa vào t 0 ht = 50 0 C
h = 0,083 kg/m 3 (Tra bảng II-7- trang 39 – Sổ tay thiết kế - Phan Văn Thơm).
Ut: cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất 1at (m 3 /m 3 h).
Thông thường, hệ số Ut dao động trong khoảng 1600 - 1700 (m³/m³.h) Tuy nhiên, áp suất làm việc có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị Ut Khi áp suất khác 1 at, cần phải nhân Ut với hệ số hiệu chỉnh fp để đảm bảo tính chính xác.
U = Ut ft (Công thức III.24 trang 120 – Sổ tay thiết kế - Phan Văn Thơm).
Cường độ bốc hơi thể tích (U ) ở áp suất khác 1 atm được đo bằng m³/m³.h, với hệ số hiệu chỉnh (fb) tương ứng với Pht Áp suất làm việc thường dao động từ 2 đến 15 atm, với hệ số hiệu chỉnh ft nằm trong khoảng 0,95 đến 0,8.
Ta tính được thể tích buồng bốc:
Vậy đường kính buồng bốc:
Vậy chiều cao buồng bốc: H=Hb+h1=1,6+0,5=2,1(m)
2.4.2.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt hđ hđ s d V
Vs : Lưu lượng hơi đốt, m 3 /s
Vs = D.v” v”: thể tích riêng, v” = 0,7715 (m 3 /kg)
( Tra bảng II-7_trang39_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
D: lượng hơi đốt trong 6 giai đoạn cô đặc, D = 0,298 (kg/s)
Đường kính ống dẫn hơi đốt:
Chọn dhd = 162,737 (mm), dngoài = 168,275 (mm)
(d tra tại: http://www.engineeringtoolbox.com/asme-steel-pipes-sizes-d_42.html)
2.4.2.2 Xác định số ống truyền nhiệt: n F tn
(Tra bảng III - 25 – Tr 121 –sổ tay thiết kế – Phan Văn Thơm).
F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt , m 2 d: Đường kính ống truyền nhiệt, m Do 1 2 nên d = dt
(tra trên trang web:www.engineeringtoolbox) l: Chiều dài ống truyền nhiệt , l = h2=1m
Vậy số ống truyền nhiệt tính theo thực tế:
Từ ntt tra theo (bảng chuẩn II- 37-Tr.79 – sổ tay thiết kế – Phan Văn Thơm).
Chọn chuẩn số ống truyền nhiệt: 187 ống.
Số ống truyền nhiệt danh nghĩa:
Là số ống nằm trong lòng ống dẫn hơi đốt dhđ=t.(b-1)+4.dng ( m) t:bước ống, m Thường chọn t=(1,21,5).d ng dng: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dngB,164.10 -3 m
Chọn: t=1,3x42,164.10 -3 =0.055m, dhđ=0,162m b: số ống trên đường chéo của hình lục giác
Tra chuẩn: b=1, ứng với số ống danh nghĩa là 3 ống
(tra bảng II- 7 Tr.79- sổ tay thiết kế – Phan Văn Thơm).
Số ống còn lại:n7-34 ống
Vậy ta lắp đặt 184 ống
Bề mặt truyền nhiệt thực tế:
- Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:
Ftt:là bề mặt truyền nhiệt thực tế (gồm ống dẫn hơi đốt)
Flt: là bề mặt truyền nhiệt theo lý thuyết (chưa kể ống dẫn hơi đốt)
2.4.2.3 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm:
(Công thức III - 26 Tr.121- sổ tay thiết kế – Phan Văn Thơm).
Trong đó: ft: tiết diện ngang của ống tuần hoàn, (m 2 ) Thường lấy 20% đến 30% tổng tiết diện ngang của các ống truyền nhiệt FD.
(m 2 ) (Công thức III – 27- t r.121- sổ tay thiết kế – Phan Văn Thơm). Đường kính ngoài của ống tryền nhiệt là: dn = dt + 2 = 42,164.10 -3 (m)
Chọn ft = 25%*FD Với FD=0,261 (m 2 )
2.4.2.4 Diện tích ống tuần hoàn trung tâm:
Fth Tổng diện tích của ống truyền nhiệt:
Số ống truyền nhiệt còn lại: ống)
2.4.2.5 Đường kính buồng đốt: Đối với thiết bị cô đặc có buồng đốt trong và bố trí ống theo hình lục giác đều:
, hệ số thường: (1.3 -1.5). t: bước ống t= (1,2 – 1,5)*dn Do ở trên chọn t = 1.3 dn , suy ra =1,3
Hệ số sử dụng lưới đỡ ống thường nằm trong khoảng từ 0,7 đến 0,9, với giá trị chọn là 0,9 Chiều dài của ống truyền nhiệt được xác định là 1m, trong khi đường kính ngoài của ống là 42,164 x 10^-3 m Do ống được sắp xếp theo hình lục giác đều, ba ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau sẽ tạo thành một tam giác đều với góc α bằng 60 độ.
Ftn: Diện tích bề mặt truyền nhiệt (m 2 ), Ftn ,096(m 2 )
Dth: đường kính ngoài của ống tuần hoàn(m), Dth=0,288(m)
Tính đường kính các ống dẫn
2.5.Tính các đường kính các ống dẫn:
(Công thức VII- 42- Tr.69- sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập hai của Ts.Trần Xoa – Pgs.Ts Nguyễn Trọng Khuôn).
Vs: lưu lượng khí (hơi) hay dung dịch trong ống (m 3 /s).
Vận tốc thích hợp của khí hoặc dung dịch trong ống được xác định theo từng loại chất lỏng hoặc hơi Đối với chất lỏng nhớt, vận tốc dao động từ 0.5 đến 1 m/s Trong trường hợp hơi nước bão hòa, vận tốc thích hợp là từ 20 đến 40 m/s Đối với hơi quá nhiệt, vận tốc nằm trong khoảng 30 đến 50 m/s Cuối cùng, đối với chất lỏng ít nhớt, vận tốc thích hợp là từ 1 đến 2 m/s.
0 V m d nl snl nl Với: Vs đ
Gđ: Lượng dung dịch ban đầu đi vào thiết bị, Gđ = 560 (Kg/h)=0,156 (Kg/s)
đ : Khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ đầu xđ= 20% ρ đ 08 (kg/m 3 )
(tra bảng XIII- 26- Tr.412- sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập hai của Ts.Trần Xoa – Pgs.Ts Nguyễn Trọng Khuôn).
Lưu lượng của sản phẩm đi vào trong ống:
Với: GC: Lượng dung dịch sau cô đặc Gc=0,187(kg/s)
C:Khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ cuối
(tra bảng XIII- 26- Tr.410- sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập hai của Ts.Trần Xoa – Pgs.Ts Nguyễn Trọng Khuôn).
2.5.3.Ống dẫn hơi thứ: dht = ( )
Chọn ht = 30(m/s) vận tốc hơi thứ trong ống
Vsht: lưu lượng của hơi thứ trong ống (m 3 /s).
W: lựợng hơi thứ thoát ra (kg/s), W = 0,0532(kg/s) (tính theo trung bình)
V " ht : thể tích riêng của hơi thứ (m 3 /kg)
(Tra theo bảng II.7 trang 39 – sổ tay thiết kế – Phan Văn Thơm).
0,785 30� = 0,165 (m) Chọn chuẩn đường kính ống : dht = 207,949mm
Với: D: lượng hơi đốt (kg/s), D = 0,288kg/s tngt= 115 o C ng = 0,964 kg/m 3
(Tra theo bảng II.7 trang 39 – sổ tay thiết kế – Phan Văn Thơm). ng 0, 298 964 3,091.10 4 ng
Chọn chuẩn ống :d ng = 20,93mm
TÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ CHÂN CAO BAROMET
Giới thiệu
3.1.1 Giới thiệu sơ lược về thiết bị ngưng tụ chân cao Baromet:
Ngưng tụ là quá trình chuyển đổi hơi hoặc khí thành trạng thái lỏng, thường thông qua việc làm nguội bằng nước hoặc không khí lỏng Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào phương pháp ngưng tụ trực tiếp loại khô, sử dụng nước để làm nguội theo chiều ngược lại với chân cao.
Nguyên tắc hoạt động chính của thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô là phun nước vào hơi, giúp hơi tỏa ẩn nhiệt và ngưng tụ trong nước Nước ngưng và nước làm nguội được dẫn chung qua một đường, trong khi khí không ngưng được hút ra qua một đường khác.
Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm nhờ vào các ưu điểm như năng suất cao, cấu trúc đơn giản và tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp để ngưng tụ hơi nước hoặc các loại hơi không có giá trị kinh tế, do chất lỏng ngưng tụ sẽ bị lẫn nước làm nguội.
Thiết bị này bao gồm một thân chứa, bên trong được trang bị các tấm ngăn hình bán nguyệt có nhiều lỗ nhỏ và gờ chảy tràn Ở đáy thiết bị có ống Baromet giúp tháo nước và chất lỏng ngưng tụ ra ngoài.
Chiều cao của ống baromet được xác định bởi áp suất làm việc bên trong thiết bị, thường đạt khoảng 11 mét Điều này giúp đảm bảo rằng khi độ chân không tăng cao, nước trong bể chứa sẽ không bị dâng lên quá mức do tác động của áp suất khí quyển, tránh làm ngập thiết bị.
Thiết bị ngưng tụ hoạt động bằng cách cho hơi đi vào từ dưới lên, trong khi nước chảy từ trên xuống và tràn qua các gờ của tấm ngăn Một phần nước cũng chui qua các lỗ của tấm ngăn, tạo thành hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng ngưng tụ chảy xuống ống baromet Khí không ngưng sẽ đi lên và qua thiết bị phân li, nơi giữ lại những giọt nước bị cuốn theo Những giọt nước này sẽ được tập trung và chảy sang ống baromet, trong khi khí không ngưng khô được bơm chân không hút và thải ra ngoài.
Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ
(kg/s) (Công thức III – 35 _trang 123_ sổ tay thiết kế _ Phan Văn Thơm)
Trong đó: i: nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi ngưng tụ (J/kg)
Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước (J/kg.độ) t2d, t2c: nhiệt độ của nước làm nguội vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ ( 0 C)
W: lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ (kg/s)
Ta có: tngt = 50 0 C (tra bảng II -7 trang39 _ sổ tay thiết kế _Phan Văn Thơm).
(Tra bảng II – 7_trang 39 _ sổ tay thiết kế _Phan Văn Thơm)
Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ
(Công thức VI_trang 84_sổ tay tập 2)
Gn: lượng nước làm nguội tưới vào thiết bị ngưng tụ (kg/s)
W: lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ (kg/s)
10 -2 W: lượng không khí đi vào tháp ngưng tụ do rò rỉ (kg/s)
Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ có thể tính theo phương trình trạng thái:
(Công thức VI-49_trang 84_sổ tay tập 2)
Nhiệt độ không khí (tkk) được xác định bằng công thức thực nghiệm cho thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô (baromet).
P: áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ (N/m 2 )
Ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp (N/m 2 ) Lấy bằng áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ không khí (tkk).
Từ tkk = 34,1 0 C (tra bảng II -7 trang 39 _sổ tay thiết kế _Phan Văn Thơm )
Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ
3.4.1 Đường kính trong 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, khi đó ta có:
(Công thức VI.52 _ trang 84_sổ tay tập 2)
Dba: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ baromet (m)
W: lượng hơi ngưng tụ (kg/s)
h : khối lượng riêng của hơi (kg/m 3 )
h : tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ (m/s)
* Ta có: Wmax = 0,0532kg/s tngt = 50 0 C (tra bảng II -7 _trang 39 _sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
* Do thiết bị ngưng tụ làm việc ở áp suất 0,1 0,2at nên h = 35 55m/s
-Tấm ngăn có dạng hình viên phân với chiều rộng là:
(Công thức III-37_trang 123_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
- Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ
+ Vì nước làm nguội là nước bẩn nên lấy đường kính lỗ: 5mm
- Chiều dày tấm ngăn: 5mm.
- Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn: 40mm.
3.4.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ
Trong đó: n: số ngăn. htb : khoảng cách trung bình giữa các ngăn (m)
Khi lựa chọn khoảng cách trung bình giữa các tấm ngăn và chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ, cần xem xét mức độ đun nóng và thời gian nước lưu lại trong thiết bị.
Mức độ đun nóng được xác định theo công thức:
(Công thức III-39_trang 124_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
Ta có: tbh: nhiệt độ của hơi bão hòa ngưng tụ ( 0 C) t2d = 29 0 C và t2c = 40 0 C tbh = tngt = 50 0 C
Dựa vào md, tra bảng VI-7_trang 86_sổ tay tập 2, ta xác định được:
+ Khoảng cách trung bình giữa các ngăn: htb = 0,4m = 400mm + Số ngăn: n = 4
Từ đó ta tính được:
Khi thiết kế thiết bị, cần lưu ý rằng thể tích giảm dần từ dưới lên, do đó khoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm theo hướng này, khoảng 50mm cho mỗi ngăn.
- Vì đường kính trong của thiết bị Dba = 500mm Tra bảng VI-8_trang 82_sổ tay tập 2, ta được khoảng cách giữa các ngăn: a1 = 220mm, a2 = 260mm, a3 = 320mm, a4 = 360mm, a5 = 390mm
Thực tế H ng tính như sau:
Theo bảng VI-8 trên trang 82 của sổ tay tập 2, các thông số quan trọng được ghi nhận như sau: khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1300mm, số ngăn là 4, chiều dài tấm ngăn là 5mm, và chiều dày thành thiết bị cũng là 5mm Thêm vào đó, khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy thiết bị là 1200mm, trong khi đường kính trong của thiết bị được xác định là 500mm theo bảng XIII-21 trên trang 394 của sổ tay tập 2.
H: chiều dày của đáy nón H = 453mm h: chiều cao gờ đáy nón h = 40mm Vậy: H ng 1300 220 260 320 360 390 (4 5) 1200 40 453 4563 � mm4,563m
Thiết bị ngưng tụ baromet thường làm việc ở áp suất chân không 0,10,2 at.
Do đó để đảm bảo thiết bị làm việc bình thường, cần phải tháo hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng tụ ra ngoài bằng ống baromet.
(Công thức III-40_trang 124_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
Với: Gn: lượng nước lạnh tưới vào tháp (kg/s) Gn = 11,213kg/s
W: lượng hơi ngưng tụ (kg/s) W = 0,0532kg/s
: tốc độ của hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống baromet Chọn = 0,5m/s
� Để phù hợp với đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, tra bảng VI-8_trang 88_sổ tay tập 2 có thể chọn đường kính ống baromet là dba = 125mm
Chiều cao ống baromet có thể được xác định theo công thức sau
Trong đó: h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ (m)
Độ chân không trong thiết bị ngưng tụ được ký hiệu là b (mmHg), trong khi h2 đại diện cho chiều cao cột nước cần thiết trong ống baromet để khắc phục hoàn toàn trở lực khi nước chảy trong ống.
Hba: toàn bộ chiều cao của ống baromet (m)
: hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống, f (Re) Thường lấy
� Trong trường hợp này chọn 0,03.
: tốc độ hỗn hợp của nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống baromet, chọn:
= 0,6m/s d: đường kính trong của ống baromet g: gia tốc trọng trường, g = 9,81m 2 /s.
Thế h2 vào phương trình: Hba = h1 + h2 + 0,5
Để ngăn ngừa hiện tượng nước dâng lên trong ống baromet và chảy tràn vào đường ống dẫn hơi khi áp suất khí quyển tăng, cần chọn chiều cao ống baromet Hba = 11m, ngay cả khi mực nước đạt 10,33m.
3.4.5 Đường kính các cửa ra vào của thiết bị baromet
Tra bảng VI-8_trang 88_ sổ tay tập 2 ta được:
Chọn chuẩn theo đường kính thiết bị:
Trong quá trình thu hồi, các thông số quan trọng được ghi nhận như sau: Hơi vào với đường kính d1 là 300mm, trong khi nước vào có đường kính d2 là 100mm Hỗn hợp khí và hơi ra có đường kính d3 là 80mm, và được nối với ống baromet có đường kính d4 là 125mm Hỗn hợp khí và hơi nước vào thiết bị thu hồi có đường kính d5 là 80mm, trong khi hỗn hợp khí và hơi nước ra khỏi thiết bị thu hồi có đường kính d6 là 50mm Cuối cùng, đường nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet có đường kính d7 là 50mm.
BẢNG TỔNG KẾT THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET Những kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet
(Bảng VI.8 – Trang 88 – sổ tay quá trình và thiết bị – Tập 2)
Chiều dày thành thiết bị: S = 5mm.
Đường kính của thiết bị ngưng tụ: Dba = 500mm.
Thiết bị ngưng tụ chân cao baromet.
Chiều cao của thiết bị ngưng tụ: Hng = 4m.
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị: a = 1300mm.
Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy thiết bị: P = 1200mm.
Bề rộng của tấm ngăn: b = 300mm.
Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn: h = 40mm.
Chiều dày của tấm ngăn: n = 5mm.
Khoảng cách giữa các tấm ngăn:
Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi: K1 = 675mm.
Đường kính của thiết bị thu hồi: D1 = 400mm.
Chiều rộng của toàn hệ thống thiết bị: T = 1300mm.
Chiều cao của ống baromet: hba = 11m.
Đường kính của ống baromet: dba = 125mm
Đường kính các cửa ra vào
Hỗn hợp khí và hơi ra d3 = 80mm.
Ống nối với baromet d4 = 125mm.
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d5 = 80mm.
Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị ngưng tụ d6 = 50mm.
Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet d7 = 50mm
TÍNH CƠ KHÍ
Bề dày buồng đốt
- Thân hình trụ là một bộ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị Ở đây ta chọn vật liệu là thép CT3.
- Chiều dày thân hình trụ hàn:
(m) (Công thức XIII-8_trang 350_sổ tay tập 2)
Dt: đường kính trong buồng đốt (m)
φ: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C: hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)
P: áp suất trong thiết bị (N/m 2 )
σ: ứng suất Vật liệu thép CT3 có: σk = 380.10 6 N/m 2 σc = 240.10 6 N/m 2 (Bảng XII-4_trang 309_sổ tay tập 2)
Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền xác định theo công thứcXIII-1 và bảng XII-3_trang 356_sổ tay tập 2
Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn chảy xác định theo công thức XIII-2 và bảng XII-3_trang 356_sổ tay tập 2
Với: σk, σc: ứng suất cho phép nk, nc: hệ số an toàn bền nk = 2,6 nc = 1,5 (tra bảng XIII-3_trang 356_sổ tay tập 2)
- Thiết bị thuộc nhóm 2, loại II: η = 1 (theo bảng XIII-2_trang 356_sổ tay tập 2)
- Từ đó ta tính được:
Trong 2 giá trị trên ta lấy giá trị bé hơn để tính toán tiếp:
Ta có: φh = 0,95 (tra bảng XIII-8_trang 362_sổ tay tập 2) (hàn dọc, hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối hai mặt)
� Do đó, ta có thể bỏ qua đại lượng
P ở mẫu số của công thức trên và khi đó chiều dày của thân thiết bị được tính bằng công thức
Đại lượng bổ sung C phụ thuộc độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai âm của chiều dày được xác định:
C1 là chỉ số bổ sung do ăn mòn, được xác định dựa trên điều kiện ăn mòn của vật liệu trong môi trường và thời gian hoạt động của thiết bị Đối với các vật liệu có độ bền cao (0,05 ÷ 0,1mm/năm), giá trị C1 có thể được tính là 1mm, tương ứng với thời gian làm việc từ 15 đến 20 năm.
-C2: đại lượng bổ sung do ăn mòn Đa số các trường hợp tính toán thiết bị hóa chất có thể bỏ qua C2 (C2 = 0)
-C3: đại lượng bổ sung do dung sai âm của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu
C3 = 0,8 (tra bảng XIII-9_trang 364_sổ tay tập 2) Vậy: C = 1 + 0 + 0,8 = 1,8mm = 1,8.10 -3 m
� Chọn S = 4mm (lấy tròn S theo tiêu chuẩn các loại tấm thép)
Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước)
- Áp suất thử tính toán P0 được xác định như sau:
(Công thức XIII-27_trang 365_sổ tay tập 2)
+ Pth: Áp suất thủy lực (N/m 2 )
P.10 -6 = 0,168830N/m 2 Є (0,07÷0,5) (bảng XIII-5_trang 358_sổ tay tập 2)
+ P1: áp suất thủy tĩnh của nước (công thức XIII-10_trang 360_sổ tay tập 2)
+ ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, ρ = 1192,6kg/m 3
+ H1: chiều cao của 5 cột chất lỏng H1 = 1,6 m
Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử bằng công thức:
( Công thức XIII-26_trang 367_sổ tay tập2) Với:
Vậy ta chọn chiều dày thân thiết bị bằng 4mm là hợp lí
Bề dày buồng bốc
Đối với thiết bị có thành mỏng hoạt động dưới áp suất ngoài hoặc chân không, thành thiết bị có thể bị nén vào bên trong Để ngăn chặn hiện tượng này, việc gia công thành hình trụ cần được thực hiện một cách chính xác.
-Thiết bị làm việc chịu áp suất ngoài ứng điều kiện sau: 1 8 t
� � (công thức XIII-31_trang 371_sổ tay tập 2) Trong đó: Pn áp suất ngoài (N/m 2 )
E t : môđun đàn hồi ở nhiệt độ t của thành (t = 48,32 o C)
Vậy thỏa mãn hai điều kiện trên nên ta có thể tính bề dày buồng bốc theo công thức sau:
Vậy chiều dày thân buồng bốc là 9mm
Nắp thiết bị
- Chọn nắp elip có gờ, vật liệu là thép CT3
- Ta có đường kính buồng bốc Db = 1,6m 00mm
Tra bảng XIII-11_trang 384_sổ tay tập 2, ta được:
+ Chiều dày S = 8mm; hb = 400mm + Chiều cao gờ h = 25mm
+ Khối lượng nắp mn = 137kg
Đáy thiết bị
- Chọn đáy nón có gờ, vật liệu là thép CT3, góc đáy bằng 90 0
- Ta có đường kính thân buồng đốt Dtbd = 1m = 1000mm
Tra bảng XIII-22_trang 396_sổ tay tập 2, ta được:
+ Chiều dày S = 10mm; H = 731mm + Chiều cao gờ h = 40mm
+ d = 49,5mm + Khối lượng đáy md = 180kg h
4.5 Xác định chi tiết mối ghép bích
- Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị, cũng như nối các bộ phận khác của thiết bị.
- Chọn bích liền bằng thép CT3 để nối thiết bị.
Chúng tôi chọn mặt bích kiểu 1 để kết nối giữa thân thiết bị với nắp và đáy Kích thước mặt bích được xác định dựa trên áp suất làm việc và đường kính trong của thiết bị, tương ứng với kích thước buồng đốt và buồng bốc, như được trình bày trong bảng XIII-27 (trang 417, sổ tay tập 2).
Dt: đường kính vòng đệm
D0: đường phôi db: đường kính bulông Z: số bulông
-Buồng đốt có 2 vĩ ống, chọn vật liệu làm vĩ ống là thép CT3.
-Chọn phương pháp gắn ống truyền nhiệt vào vĩ ống là phương pháp nong ống.
-Để đảm bảo tính chắc chắn của mối nong thì bề dày tối thiểu tính theo công thức:
Smin = (dn/8) + 5 (mm) (Công thức 8-129 tính toán máy và thiết bị hóa chất)
Để duy trì hình dạng của vĩ ống sau khi thực hiện quá trình nong, cần đảm bảo rằng tiết diện dọc giữa hai thành lỗ gần nhất (fm) phải lớn hơn tiết diện nhỏ nhất cho phép (fmin).
Fmin = Sv.(t-dt )≥ fmin fmin: phụ thuộc vào đường kính ngoài của ống và theo công thức fmin = 5.d1
(Trang 228_tính toán máy và thiết bị hóa chất)
Với: dt đường kính lỗ vĩ ống, dt = dng + 1 = 60,325 + 1 = 61,325mm t: bước ống (m) t = 1,2.dng = 1,2 x 60,325= 74,39mm
� Chọn bề dày vĩ ống Sv = 23mm
4.7.khối lượng của các bộ phận thiết bị
4.7.1.Khối lượng thân buồng đốt mtbd 2 2
����� � � �� � � �� �� �����H (kg) Trong đó: dt: đường kính trong thân buồng đốt (m) dt = 1m dng: đườngkính ngoài của thân buồng đốt (m)
2 1 2 0,005573 1,011 n t d d � m ρ: khối lượng riêng của thép (kg/m 3 ) ρ = 7850kg/m 3
(Tra bảng II-8_trang 41_sổ tay thiết kế_Phan văn thơm) H: chiều cao của thân buồng đốt (m) H = 1m mtbd 2 2
4.7.2.khối lượng ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt: m0=n*π*[(dn/2) 2-(dt/2) 2 ]*H*ρ+π*[(dtht/2) 2 -(dtht/2) 2+ )]*H*ρ trong đó: n: số lượng ống truyền nhiệt :187
H:chiều cao ống truyền nhiệt :1m ρ:khố lượng riêng của thép: 7850kg/m 3 dn:đường kính ngoài của ống truyền nhiệt: 42,164.10 -3 m dt:đường kính trong của ống truyền nhiệt:35,052.10 -3 m dthn:đường kính ngoài của ống tuần hoàn: 289.10 -3 m dn:đường kính trong của ống tuần hoàn: 288.10 -3 m
4.7.3Khối lượng đáy hình nón:
Dựa vào đường kính trong của buồng đốt Dt = 0 mm và tham khảo bảng XIII-22 trong sổ tay tập 2, ta xác định chiều cao gờ nón h = 0,05 m và chiều cao đáy nón H = 0,562 m Gờ được làm bằng thép CT3, với góc đáy 90 độ và độ dày thiết bị δ mm.
4.7.4.Khối lượng dung dich trong buồng đốt: mdd00kg
4.7.5.Khối lượng của 2 vĩ ống ở buồng đốt:
Trong đó: dn đường kính ngoài ống truyền nhiệt: 0.042164m
Dv:đường kính vĩ ống:2m
Sv: bề dày vĩ ống:0,023m
Sd:bề dày ống truyền nhiệt: 0,005573m
Sth:bề dày ống tuần hoàn : 0,005573m
Dth: đường kính ngoài của ống tuần hoàn:0,289 n:tổng số ống truyền nhiệt:187 ống ρ:khối lượng riêng của vật liệu làm vĩ ống:7850kg/m 3
Khối lượng nước ngưng tụ: mngt=Vtru*ρ=0,0785*947,05t,34(kg) vậy khối lượng của buồng đốt:
Md=m1+m0+md+mv+mng6,315+636,377+97+1400+1105,28+97,34472,312kg
4.7.7.1.Khối lượng thân buồng bốc: mb 2 2
����� � � �� � � �� � � � ����H Trong đó: dt: đường kính thân buồng bốc (m) dt=1,6m dng: đường kính ngoài thân buồng đốt (m)
2 1,6 2 0,005573 1,61 n t d d � m ρ: khối lượng riêng của thép ρ = 7850kg/m 3 (Tra bảng II-8_trang 41_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
H: chiều cao của thân buồng bốc, H = 2,1m
4.7.7.2.Khối lượng nắp buồng bốc:
Dựa vào đường kính trong của buồng bốc Dt=1,6m và tra bảng XIII-11-trang 384-sổ tay tập 2- chọn nắp elip có gờ độ dày δ=8mm.
→khối lượng nắp mn7kg
→khối lượng hơi thứ : mht=V*ρ=0,105*0,083=0,0087kg
Vậy khối lượng buồng bốc: mb=mb+mn+mhtA5,397+137+0,0087U2,406kg
4.7.7.4.khối lượng toàn thiết bị:
Trọng lượng cực đại của thiết bị
Tải trọng cho phép tác dụng lên một tai treo:
Chọn bề mặt đỡ bê tông Tra bảng XIII-34_trang 436
Tải trọng riêng trung bình lên bề mặt đở: q = 2.10 6 N/m 2 Diện tích đỡ là:
Tra bảng XIII-36_trang 438_sổ tay tập 2 Chọn loại tai treo thiết bị thẳng đứng có kích thước như sau:
Tải trọng cho phép trên 1 tai treo
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q, N/m 2
L B B 1 H S l a d Khối lượng một tai treo
4.8 Một số chi tiết khác
4.8.1 Chọn cửa vào vệ sinh và cửa sữa chữa là cửa có đường kính 500mm
- Tại các ống dẫn chọn bulông M12 (TCVN)
- Bulông ghép nắp vào thân M20, 32 cái
- Bulông ghép đáy vào thân M20, 32 cái
Tính khối lượng cuả các bộ phận thiết bị khác
Dt: đường kính vòng đệm
D0: đường phôi db: đường kính bulông Z: số bulông
-Buồng đốt có 2 vĩ ống, chọn vật liệu làm vĩ ống là thép CT3.
-Chọn phương pháp gắn ống truyền nhiệt vào vĩ ống là phương pháp nong ống.
-Để đảm bảo tính chắc chắn của mối nong thì bề dày tối thiểu tính theo công thức:
Smin = (dn/8) + 5 (mm) (Công thức 8-129 tính toán máy và thiết bị hóa chất)
Để đảm bảo vĩ ống không bị biến dạng sau khi nong, tiết diện dọc giữa hai thành lỗ gần nhất cần phải lớn hơn fmin, tức là tiết diện nhỏ nhất cho phép là fm.
Fmin = Sv.(t-dt )≥ fmin fmin: phụ thuộc vào đường kính ngoài của ống và theo công thức fmin = 5.d1
(Trang 228_tính toán máy và thiết bị hóa chất)
Với: dt đường kính lỗ vĩ ống, dt = dng + 1 = 60,325 + 1 = 61,325mm t: bước ống (m) t = 1,2.dng = 1,2 x 60,325= 74,39mm
� Chọn bề dày vĩ ống Sv = 23mm
4.7.khối lượng của các bộ phận thiết bị
4.7.1.Khối lượng thân buồng đốt mtbd 2 2
����� � � �� � � �� �� �����H (kg) Trong đó: dt: đường kính trong thân buồng đốt (m) dt = 1m dng: đườngkính ngoài của thân buồng đốt (m)
2 1 2 0,005573 1,011 n t d d � m ρ: khối lượng riêng của thép (kg/m 3 ) ρ = 7850kg/m 3
(Tra bảng II-8_trang 41_sổ tay thiết kế_Phan văn thơm) H: chiều cao của thân buồng đốt (m) H = 1m mtbd 2 2
4.7.2.khối lượng ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt: m0=n*π*[(dn/2) 2-(dt/2) 2 ]*H*ρ+π*[(dtht/2) 2 -(dtht/2) 2+ )]*H*ρ trong đó: n: số lượng ống truyền nhiệt :187
H:chiều cao ống truyền nhiệt :1m ρ:khố lượng riêng của thép: 7850kg/m 3 dn:đường kính ngoài của ống truyền nhiệt: 42,164.10 -3 m dt:đường kính trong của ống truyền nhiệt:35,052.10 -3 m dthn:đường kính ngoài của ống tuần hoàn: 289.10 -3 m dn:đường kính trong của ống tuần hoàn: 288.10 -3 m
4.7.3Khối lượng đáy hình nón:
Dựa vào đường kính trong của buồng đốt Dt và thông tin từ bảng XIII-22 trong sổ tay, ta xác định chiều cao gờ nón là h = 0,05m và chiều cao đáy nón là H = 0,562m Thông số này được tính toán dựa trên vật liệu thép CT3, góc đáy 90 độ và độ dày thiết bị δmm.
4.7.4.Khối lượng dung dich trong buồng đốt: mdd00kg
4.7.5.Khối lượng của 2 vĩ ống ở buồng đốt:
Trong đó: dn đường kính ngoài ống truyền nhiệt: 0.042164m
Dv:đường kính vĩ ống:2m
Sv: bề dày vĩ ống:0,023m
Sd:bề dày ống truyền nhiệt: 0,005573m
Sth:bề dày ống tuần hoàn : 0,005573m
Dth: đường kính ngoài của ống tuần hoàn:0,289 n:tổng số ống truyền nhiệt:187 ống ρ:khối lượng riêng của vật liệu làm vĩ ống:7850kg/m 3
Khối lượng nước ngưng tụ: mngt=Vtru*ρ=0,0785*947,05t,34(kg) vậy khối lượng của buồng đốt:
Md=m1+m0+md+mv+mng6,315+636,377+97+1400+1105,28+97,34472,312kg
4.7.7.1.Khối lượng thân buồng bốc: mb 2 2
����� � � �� � � �� � � � ����H Trong đó: dt: đường kính thân buồng bốc (m) dt=1,6m dng: đường kính ngoài thân buồng đốt (m)
2 1,6 2 0,005573 1,61 n t d d � m ρ: khối lượng riêng của thép ρ = 7850kg/m 3 (Tra bảng II-8_trang 41_sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm)
H: chiều cao của thân buồng bốc, H = 2,1m
4.7.7.2.Khối lượng nắp buồng bốc:
Dựa vào đường kính trong của buồng bốc Dt=1,6m và tra bảng XIII-11-trang 384-sổ tay tập 2- chọn nắp elip có gờ độ dày δ=8mm.
→khối lượng nắp mn7kg
→khối lượng hơi thứ : mht=V*ρ=0,105*0,083=0,0087kg
Vậy khối lượng buồng bốc: mb=mb+mn+mhtA5,397+137+0,0087U2,406kg
4.7.7.4.khối lượng toàn thiết bị:
Trọng lượng cực đại của thiết bị
Tải trọng cho phép tác dụng lên một tai treo:
Chọn bề mặt đỡ bê tông Tra bảng XIII-34_trang 436
Tải trọng riêng trung bình lên bề mặt đở: q = 2.10 6 N/m 2 Diện tích đỡ là:
Tra bảng XIII-36_trang 438_sổ tay tập 2 Chọn loại tai treo thiết bị thẳng đứng có kích thước như sau:
Tải trọng cho phép trên 1 tai treo
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q, N/m 2
L B B 1 H S l a d Khối lượng một tai treo
Một số chi tiết khác
4.8.1 Chọn cửa vào vệ sinh và cửa sữa chữa là cửa có đường kính 500mm
- Tại các ống dẫn chọn bulông M12 (TCVN)
- Bulông ghép nắp vào thân M20, 32 cái
- Bulông ghép đáy vào thân M20, 32 cái
Thiết bị được lắp ghép với 4 kính thủy tinh dày 10mm và đường kính 180mm Kính được đặt giữa hai mặt bích, mỗi kính được gắn chặt bằng 6 vít kiểu M10 Để đảm bảo tính kín, giữa hai mặt bích và kính có lớp đệm amian dày 3mm.
- Vật liệu làm đệm phải mềm hơn vật liệu làm bích.
- Khi siết bulông đệm bị biến dạng Chọn đệm phụ thuộc nhiệt độ, ánh sáng và tính chất của môi trường.
Đệm cần có độ dẻo cao, dễ dàng biến dạng khi bị nén, nhưng vẫn giữ được hình dạng ban đầu trong suốt thời gian sử dụng Ngoài ra, đệm cũng phải bền bỉ trước các yếu tố ăn mòn của môi trường.
Theo bảng VII-1_trang 190_sổ tay tập 2, chọn đệm bằng carton amiăng phẳng, có chiều dày S = 3mm
4.8.4 Nồi cô đặc làm việc ở nhiệt độ cao Để đảm bảo cho công nhân làm việc không bị mệt, ngột ngạt và nóng thì ta phải dùng chiết cách nhiệt là amian vải hoặc amian sợi có hệ số dẫn nhiệt rất thấp Hệ số dẫn nhiệt của chúng là: λ = 0,279W/m.độ và λ = 0,1115W/m.độ Do đó, ta có thể làm lớp cách nhiệt với chiều dày khoảng 100mm, để có thể giữ nhiệt xung quanh không lớn hơn 40 0 C.
