Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY − THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC

SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM 11288601

TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301

Lớp : DHHD7LT

Khoá : 2011 − 2013

TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC

SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM 11288601

TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301

Lớp : DHHD7LT

Khoá : 2011 − 2013

BỘ CÔNG THƢƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐHCN TP.HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

__________________

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN CÔNG NAM MSSV: 11288601 LỚP: DHHD7LT

TRẦN TRỌNG NGUYỄN MSSV: 11265301 LỚP: DHHD7LT

1. Tên đồ án:

Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều dùng để cô đặc dung dịch NaOH

2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

Số liệu ban đầu: GD = 2500 kg/h; XD = 15%, Xc = 30% (theo khối lƣợng)

Nội dung:

– Giới thiệu tổng quan (tổng quan về nguyên liệu và quá trình cô đặc) – Qui trình công nghệ (đƣa ra sơ đồ và thuyết minh qui trình công nghệ) – Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lƣợng – Tính toán thiết kế thiết bị chính (tính toán về các thông số về đƣờng kính, chiều cao, bề dày và các chi tiết khác ) – Bản vẽ: 2 bản vẽ khổ A1 gồm: bản vẽ quy trình công nghệ, bản vẽ cấu tạo chi tiết thiết bị chính

3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ngày 15 tháng 10 năm 2012

4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: tháng 12 năm 2012

5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: Th.s TRẦN HOÀI ĐỨC

Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2012

TỔ TRƢỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Ngƣời duyệt: ...............................................................

Đơn vị: ........................................................................

Ngày bảo vệ ................................................................

Điểm tổng kết: .............................................................

Nơi lƣu trữ: .................................................................

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

.............................................................................................................................

Tp. Hồ Chí Minh , Ngày … Tháng … Năm 2012

Ngƣời nhận xét

Th.S Trần Hoài Đức

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

.............................................................................................................................

Tp. Hồ Chí Minh , Ngày … Tháng … Năm 2012

Ngƣời nhận xét

iii

MỤC LỤC

CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................... 1

1.1. Tổng quan về nguyên liệu ............................................................................. 1

1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc ...................................................................... 1

1.3. Cô đặc nhiều nồi ............................................................................................ 1

CHƢƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ................................... 3

2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ ....................................................................... 3

2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ ......................................................................... 4

CHƢƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT ............................................................. 6

3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu .................................................... 6

3.2. Cân bằng nhiệt lƣợng .................................................................................... 6

3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi ....................................................... 6

3.2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ..................................................................... 7

3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất ........................................................................ 7

3.2.4. Hệ số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi ............................................. 9

3.2.5. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi ........................................... 9

3.2.6. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở mỗi nồi ...................................... 10

CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN KÍCH THƢỚC THIẾT BỊ CHÍNH .................................. 13

4.1. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt .............................................. 13

4.1.1. Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngƣng tụ hơi .............................................. 13

4.1.2. Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi ........................ 13

4.1.3. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi để kiểm tra đối chiếu ................... 16

4.2. Tính toán buồng đốt ..................................................................................... 18

4.2.1. Đƣờng kính buồng đốt ........................................................................... 20

4.2.2. Bề dày của thân buồng đốt .................................................................... 21

4.2.3. Bề dày đáy buồng đốt ............................................................................ 23

4.3. Tính toán buồng bốc .................................................................................... 25

4.3.1. Đƣờng kính buồng bốc .......................................................................... 25

4.3.2. Chiều cao buồng bốc ............................................................................. 25

4.3.3. Bề dày buồng bốc .................................................................................. 26

4.3.4. Bề dày nắp buồng bốc ........................................................................... 27

4.4. Đƣờng kính các ống dẫn ............................................................................. 28

4.4.1. Đƣờng kính ống dẫn hơi đốt .................................................................. 29

4.4.2. Đƣờng kính ống dẫn hơi thứ ................................................................. 29

4.4.3. Đƣờng kính ống dẫn dung dịch ............................................................. 30

4.5. Chiều dày vĩ ống .......................................................................................... 32

4.6. Chiều dày lớp cách nhiệt ............................................................................. 32

4.6.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn ................................................ 32

4.6.2. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị .......................................... 34

4.7. Chọn mặt bích ............................................................................................. 35

4.7.1. Buồng đốt .............................................................................................. 35

4.7.2. Buồng bốc .............................................................................................. 35

4.8. Chọn tai treo ................................................................................................ 36

4.8.1. Khối lƣợng đáy buồng đốt ..................................................................... 37

4.8.2. Khối lƣợng thân buồng đốt .................................................................... 37

4.8.3. Khối lƣợng nắp buồng bốc .................................................................... 37

4.8.4. Khối lƣợng thân buồng bốc ................................................................... 37

4.8.5. Khối lƣợng lớp cách nhiệt ...................................................................... 37

4.8.6. Khối lƣợng cột chất lỏng ........................................................................ 38

4.8.7. Khối lƣợng cột hơi ................................................................................. 38

4.8.8. Khối lƣợng bích ..................................................................................... 38

4.8.9. Khối lƣợng ống truyền nhiệt .................................................................. 39

4.8.10. Khối lƣợng vỉ ống .................................................................................. 39

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN .......................................................................................... 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 42

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thƣờng phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng. Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật ngƣời ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phƣơng pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.

Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc dạng ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cƣỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống tuần hoàn trung tâm đƣợc dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, dùng cô đặc dung dịch có độ nhớt tƣơng đối và cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.

Để bƣớc đầu làm quen với công việc của một kỹ sƣ công nghệ là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, chúng em đƣợc phân công đồ án học phần. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bƣớc tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lƣợng kiến thức của các môn “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” trên cơ sở lƣợng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan mỗi sinh viên có thể tự tính toán thiết kế một thiết bị công nghệ theo yêu cầu. Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.

Trong đồ án môn học này, chúng em cần thực hiện là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài dùng cho cô đặc dung dịch NaOH với công suất 2500 kg/h từ nồng độ đầu 15% lên tới 30% theo khối lƣợng.

DANH MỤC HÌNH, BẢNG BIỂU

Bảng 3. 1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ....................................................................... 7

Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’ ................................................................. 8

Bảng 3. 3. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ ) .................................................... 8

Bảng 4. 1. Đường kính các loại ống dẫn ................................................................... 32

Bảng 4. 2. Ống dẫn hơi đốt ....................................................................................... 33

Bảng 4. 3. Ống dẫn hơi thứ....................................................................................... 34

Bảng 4. 4. Ống dẫn dung dịch .................................................................................. 34

Bảng 4. 5. Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc. ............................................. 36

Bảng 4. 6. Kích thước bích nối các ống dẫn ............................................................ 36

Bảng 4. 7. Khối lượng bích ....................................................................................... 39

Bảng 4. 8. Các thông số của tai treo ......................................................................... 40

vii

CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về nguyên liệu

Natri hiđroxit hay (công thức hóa học là NaOH) hay thƣờng đƣợc gọi là xút hoặc xút ăn da, ở dạng nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lƣợng riêng 2,1 g/cm³, nóng chảy ở 318 oC (519K) và sôi ở 1390 °C (1663K) dƣới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nƣớc (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ nhƣ metanol, etanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần đƣợc chứa trong các thùng kín.

Dung dịch NaOH là một bazơ mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy, ta cần lƣu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH.

Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và lâu năm. Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác nhƣ dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa,… Natri hydroxit cũng đƣợc sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm.

Trƣớc đây trong công nghiệp, NaOH đƣợc sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, ngƣời ta dùng phƣơng pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu đƣợc thƣờng có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, ngƣời ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.

1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử bằng cách tách bớt một phần dung môi bằng phƣơng pháp sử dụng nhiệt độ hoặc phƣơng pháp làm lạnh kết tinh. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thƣờng đƣợc tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn).

Trong cô đặc cần hiểu rõ các khái niệm:

- Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch - Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc - Hơi phụ: hơi lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc.

Quá trình cô đặc thƣờng dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng, hoặc tách bớt chất rắn hòa tan.

Quá trình cô đặc thƣờng đƣợc tiến hành ở các điều kiện áp suất khác nhau. Khi làm việc ở áp suất thƣờng (áp suất khí quyển) ngƣời ta dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác áp suất khí quyển (áp suất chân không) ngƣời ta dùng thiết bị kín.

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi, có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn.

1.3. Cô đặc nhiều nồi

Khi cô đặc 1 nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không kinh tế. Mặt khác hơi thứ vẫn còn mang một nhiệt lƣợng lớn, tốn nƣớc để ngƣng tụ. Quá trình cô đặc nhiều nồi tận dụng hơi thứ làm hơi đốt , do đó hạ thấp chỉ tiêu tiêu hao hơi đốt, năng suất lớn, dễ khống chế các thông số kỹ thuật.

Trong công nghiệp hệ thống cô đặc nhiều nồi đƣợc chia thành 3 loại:

- Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều - Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngƣợc chiều

- Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song

Ƣu điểm và nhƣợc điểm của thiết bị cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:

Ƣu điểm: Để hệ thống làm việc đƣợc thì nhiệt độ và áp suất nồi trƣớc phải lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua nồi sau mà không cần bơm, đỡ tốn năng lƣợng. Thƣờng nồi đầu áp suất dƣơng, nồi sau áp suất âm.

- Nhiệt độ sản phầm thấp nên chất lƣợng sản phẩm tốt

- Hệ thống đơn giản, chi phí đầu tƣ thấp

Nhƣợc điểm: các nồi sau do nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt tăng, do đó hệ số K giảm, không khai thác đƣợc hết công suất thiết kế của thiết bị.

Trong khuôn khổ đồ án này ta sẽ tiến hành cô đặc dung dịch NaOH theo cách tách dung môi dƣới dạng hơi bằng hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục. Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên mặt thoáng dung dịch bằng với áp suất làm việc của thiết bị.

CHƢƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ

Năng suất của quy trình theo đồ án yêu cầu là 2500 kg/h, do đó ta chọn sơ đồ công nghệ nhƣ sau:

Hình 2.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ cô đặc chân không dung dịch NaOH 2 nồi xuôi chiều

Chú thích thiết bị:

1. Bồn cao vị 2. Thiết bị gia nhiệt 3. Lƣu lƣợng kế 4. Nồi cô đặc số 1

7. Nồi cô đặc số 2

8. Thiết bị ngƣng tụ Baromet

9. Thiết bị phân ly

10. Bơm hút chân không

11. Bồn chứa nƣớc ngƣng

12. Bơm sản phẩm

13. Bồn chứa sản phẩm

14. Thiết bị tách lỏng

16. Bồn chứa nguyên liệu (NaOH 15%)

17. Bơm nhập liệu

2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ

2.2.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% đƣợc chứa trong bồn chứa nguyên liệu số 16. Sau đó đƣợc bơm lên bồn cao vị số 1 nhờ bơm nguyên liệu số 17. Từ bồn cao vị, dung dịch NaOH chảy qua lƣu lƣợng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt số 2 và đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sôi trong nồi cô đặc số 1 rồi đƣa vào nồi cô đặc số 1 để cô đặc một phần dung dịch. Nồi số 1 sử dụng hơi đốt là hơi chính trong nhà máy. Dung dịch từ nồi số 1 tự chuyển sang nồi số 2 do chênh lệch áp suất làm việc giữa hai nồi (áp suất nồi sau < áp suất nồi trƣớc). Nhiệt độ của nồi trƣớc lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. Nồi số 2 sử dụng hơi thứ của nồi số 1 để làm hơi đốt, tiếp tục cô đặc dung dịch NaOH đạt tới nồng độ yêu cầu (30% theo khối lƣợng). Hơi thứ của nồi 2 đƣợc đƣa qua thiết bị ngƣng tụ Baromet số 8 để tạo độ chân không cho hệ thống nhờ bơm hút chân không số 10. Sản phẩm ở nồi cô đặc số 2 đƣợc bơm sản phẩm (bơm ly tâm) số 12 liên tục hút ra ngoài.

2.2.2. Nguyên lý làm việc của hê thống thiết bị cô đặc

Thiết bị gia nhiệt số 2 là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ đƣợc bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống đƣợc giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống đƣợc hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nƣớc bão hoà có áp suất 4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dƣới lên ở bên trong ống. Hơi nƣớc bão hoà ngƣng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi đƣợc gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nƣớc ngƣng tụ thành nƣớc lỏng và theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy hơi chảy ra ngoài.

2.2.3. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc

Phần dƣới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nƣớc bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngƣng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống.

Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngƣng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi. Hơi ngƣng tụ theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài. Một phần khí không ngƣng đƣợc đƣa qua của tháo khí không ngƣng. Nƣớc ngƣng đƣợc đƣa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nƣớc ngƣng.

Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc có bộ phận tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ. Hơi thứ trƣớc khi ra khỏi nồi cô đặc đƣợc qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lƣu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt.

2.2.4. Nguyên lý làm việc của ống tuần hoàn trung tâm

Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lƣợng riêng giảm đi và bị đẩy từ dƣới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lƣợng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lƣợng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này đƣợc đẩy xuống dƣới. Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dƣới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.

2.2.5. Thiết bị ngƣng tụ Baromet và thiết bị phụ khác

Hơi thứ và khí không ngƣng thoát ra từ phía trên của buồng bốc nồi cô đặc số 2 đi vào thiết bị ngƣng tụ Baromet (thiết bị ngƣng tụ kiểu trực tiếp). Trong thiết bị ngƣng tụ,chất làm lạnh là nƣớc đƣợc bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ đƣợc dẫn vào ngăn dƣới

cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nƣớc giải nhiệt để ngƣng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa nƣớc ngƣng số 11 qua ống Baromet, còn khí không ngƣng tiếp tục đi lên trên, đƣợc dẫn qua bộ phận tách giọt rồi đƣợc bơm chân không hút ra ngoài.

Khi hơi thứ ngƣng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngƣng tụ giảm. Vì vậy, thiết bị ngƣng tụ Baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải đƣợc lắp đặt ở độ cao cần thiết để nƣớc ngƣng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.

Bơm chân không số 10 có nhiệm vụ hút khí không ngƣng ra ngoài để tránh trƣờng hợp khí không ngƣng tích tụ trong thiết bị ngƣng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nƣớc có thể chảy ngƣợc vào nồi cô đặc. Trƣớc khi khí không ngƣng đƣợc hút ra ngoài thì nó đƣợc đƣa qua thiết bị phân ly số 9 (hay còn đƣợc gọi là bình tách giọt). Thiết bị phân ly có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngƣng để đƣa về bồn chứa nƣớc ngƣng.

CHƢƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu

– Năng suất nhập liệu : GD = 2500 kg/h

= 15 % – Nồng độ nhập liệu :

= 30 % – Nồng độ cuối của sản phẩm :

= GC .

– Áp dụng phƣơng trình cân bằng vật chất : GD .

= = 1250 (kg/h) Suy ra : GC =

– Lƣợng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống

Áp dụng công thức : , kg/h

(kg/h)

– Giả thuyết phân bố hơi thứ trong các nồi

Chọn tỷ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là :

Khi đó ta có hệ phƣơng trình :

W1 + W2 = W = 1250 (kg/h)

Giải hệ trên ta có kết quả :

W1 = 625 kg/h

W2 = 625 kg/h

Xác định nồng độ dung dịch từng nồi.

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1 :

% x’C =

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 :

% x”C =

Cân bằng nhiệt lƣợng

3.2. 3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi

Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc Chọn áp suất ngƣng tụ : 0,2 at Tra bảng I.251/314[1] ta có nhiệt độ tại thiết bị ngƣng tụ : Tng = 59,7 0C

Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là : 4,0 at Khi đó hiệu áp suất cả hệ thống cô đặc là : Pt = P1 – Png = 4,0 – 0,2 = 3,8 (at)

Chọn tỉ số phân bố áp suất giữa các nồi là :

Kết hợp với phƣơng trình : P1 + P2 = Pt = 3,8 at Suy ra :

P1 = 2,612 at P2 = 1,188 at

Áp suất hơi đốt nồi 2: P2 = P1 − ∆P1 = 4,0 – 2,612 = 1,388 (at)

3.2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ

Theo sơ đồ cô đặc, nhiệt độ hơi thứ nồi 1 ( t’1 ) bằng nhiệt độ hơi đốt nồi 2 (T2). Nhƣng do quá trình truyền khối có sự tổn thất nhiệt do trở lực đƣờng ống (∆’’’)

Chọn

∆1’’’ = 1 oC ∆2’’’ = 1 oC

Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1: t’1 = T2 + 1 = 109,419 0C Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2: t’2 = tng + 1 = 60,7 0C Dựa vào các dữ kiện trên và tra Bảng I.251/314[1] ta có bảng sau đây :

Bảng 3. 1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ

Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngƣng tụ

Loại Áp suất (at) Áp suất (at) Nhiệt độ (0C) Nhiệt độ (0C) Áp suất (at) Nhiệt độ (0C)

P1 = 4,0 T1 = 142,9 P2 = 1,436 T2 = 108,42 Hơi đốt Png = 0,2 tng = 59,7

P’1 =1,434 t’1 =109,419 P’2 = 0,211 t’2 = 60,7 Hơi thứ

3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất

Tổn thất nhiệt độ trong hệ cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đƣờng ống.

3.2.3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’

Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:

’f VI.10/59[2] Theo Tiaxenko: ’ = o

mà f (0C) VI.11/59[2]

Trong đó :

’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thƣờng, (tra Bảng VI.2/67[2] )

o f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thƣờng

ri : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ t’i, J/kg t’i : nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i, 0C Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cƣỡng bức) thì nồng độ

dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (xc) do đó ’lấy theo nồng độ cuối dung dịch

Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’

ri .10-3(J/kg) xc (% kl) i’ (oC) ) ti’(oC) o’(

Nồi 1 20,0 8,2 109,419 2235,203 8,691

Nồi 2 30,0 17,0 60,7 2357,756 13,007

Tổng 2 nồi ’ = 21,698 0C ∑’ = 1 ’+ 2

3.2.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ )

VI.12/60[2]

Trong đó:

Phti : áp suất hơi thứ nồi i

h1i : chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt , =0,5 (m)

h2 : chiều cao ống truyền nhiệt , = 1,8 (m)

khối lƣợng riêng của dung dịch khi sôi: s =0,5 dd

Từ nhiệt độ hơi thứ nồi 1 và nồi 2, tra Bảng 4/11[3] ta đƣợc:

= 1162,935 (kg/m³)

= 1303,5 (kg/m³)

Tra và nội suy từ Bảng 4/11[3] và Bảng I.2/9[1]

Bảng 3. 3. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ )

0C

xC (%) t’i dd, kg/m3 dm ,kg/m3

Nồi I 20,0 109,419 1162,935 941,77

Nồi II 30,0 60,7 1303,5 966,115

Coi dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến độ sâu trung bình của chất lỏng

Tra bảng I.251/314[1] :

3.2.3.3. Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực trên đƣờng ống (”’)

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngƣng tụ là 10C. Do đó :

”’1 = 1,0 0C ”’2 = 1,0 0C 3.2.3.4. Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc

 = ’ + ” + ”’ = 21,698 + 17,604 + 2,0 = 41,302 0C

3.2.4. Hệ số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi 0C

− − − − − −

− −

− − 3.2.5. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi

Nồi 1 : thi = T1 – tS1 suy ra tS1 = T1 − thi1 = 121,366 0C Nồi 2 : thi2 = T2 – tS2 suy ra tS2 = T2 − thi2 = 88,055 0C

Cân bằng nhiệt lƣợng :

Sơ đồ cân bằng nhiệt lƣợng của hệ thống

Trong đó:

D: lƣợng hơi đốt vào nồi 1, kg/h i: hàm nhiệt của hơi đốt , J/kg t: nhiệt độ của dung dịch, C θ: nhiệt độ nƣớc ngƣng, C i’: hàm nhiệt của hơi thứ, J/kg

Nhiệt dung riêng của nƣớc ngƣng tính theo áp suất của hơi đốt.

(tra theo Bảng I.249/311[1])

(J/kg.độ)

3.2.6. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở mỗi nồi

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20%

I.43/152[1] C = 4186.(1− x) ( J/kg.độ) X : nồng độ chất hòa tan, phần khối lƣợng

Nhiệt dung riêng dung dịch đầu: Cđ = 4186.(1 − 0,15) = 3558,1 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x > 20%

I.44/152[1]

I.41/152[1]

C = Cht.x + 4186.(1 − x), J/kg.độ; Cht : nhiệt dung riêng của chất hoà tan, J/kg.độ Nhiệt dung riêng của NaOH tính theo công thức: M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 (*) Tra bảng I.41/152[1] ta đƣợc: MNaOH = 40 n1 = n2 = n3 = 1 c1 = cNa = 26 (J/kg ng.tử.độ) c2 = cO = 16,8 (J/kg ng.tử.độ) c3 = cH = 9,6 (J/kg ng.tử.độ)

thay vào (*) ta đƣợc

(J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1:

C1 = 1310. 0,2 + 4186.(1 − 0,20) = 3601,8 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2:

C2 = 1310.0,3 + 4186.(1 − 0,3) = 3323,2 (J/kg.độ)

3.2.6.1. Lập phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng

Nồi 1:

D.i + GD.CD.tD = W1.i1 + (GD – W1).C1.t1 + D.Cng1. 1 + Qxq1 Nồi 2:

W1.i1 + (GD – W1).C1.t1 = W2.i2 + (GD – W).C2.t2 + W1.Cng2.2 + Qxq2

W = W1 + W2 Mà : Qxq1 = 0,05 D.(i – Cng1q1) Qxq2= 0,05 W1(i1 – Cng2q2)

Trong đó:

D : lƣợng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h i,i1,i2 : hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg tD, t1, t2 : nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch,0C CD, C1, C2 : nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch, J/kg.độ 1, 2 : nhiệt độ nƣớc ngƣng tụ của nồi 1 và nồi 2,0C

– Cng1, Cng2 : nhiệt dung riêng của nƣớc ngƣng ở nồi 1 và nồi 2, J/kg.độ (tra Bảng I.249/310[1])

– Qxq1,Qxq2 : nhiệt mất mát ra môi trƣờng xung quanh, J – GD : lƣợng dung dịch lúc ban đầu, kg/h – W1,W2 : lƣợng hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2, kg/h

Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hoà, nƣớc ngƣng là lỏng sôi ở cùng nhiệt độ, khi đó ta có:

i – Cng1 . 1 = r(1) và i1 – Cng2 . 2 = r(2) Tra sổ tay ta có bảng các thông số sau đây: (tra Bảng I.250/312[1]), và (tra Bảng I.249/310[1]) ta đƣợc bảng tổng hợp sau:

Đầu vào Đầu ra nồi 1 Đầu ra nồi 2

Dung dịch NaOH: + t2 = 88,055 0C + C2 = 3323,2 J/kg.độ Dung dịch NaOH : + tD= 121,366 0C + Cđ= 3558,1 J/kg.độ Dung dịch NaOH : + t1 = 121,366 0C + C1= 3610,8 J/kg.độ

+ Gc= 1250 kg/h + GD = 2500 kg/h

Hơi thứ : + 2 = 108,420C + i1 = 2694796,875 J/kg

Hơi thứ : + t’2= 60,70C + i2 = 2608444,444 J/kg Hơi đốt: + 1 = 142,90C + i = 2744000 J/kg +Cng2 = 4230,946J/kg.độ

+ W2 = 625 kg/h 4294,25 + W1 = 625 kg/h Cng1= + J/kg.độ

+ W = 1250 kg/h

Vậy lƣợng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 :

614,742 (kg/h)

Lƣợng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 :

W2 = W – W1 = 1250 – 614,742 = 635,258 (kg/h)

Lƣợng hơi đốt tiêu tốn chung là :

D = 693,336 (kg/h)

3.2.6.2. Kiểm tra lại giả thuyết phân bố hơi thứ ở các nồi

W1: lƣợng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị lớn Wn : lƣợng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị nhỏ

C%(nồi 1) =

thỏa yêu cầu C%(nồi 2) =

Vậy : Lƣợng hơi thứ nồi 1 là : W1 = 614,742 (kg/h) Lƣợng hơi thứ nồi 2 là : W2 = 635,258 (kg/h) Lƣợng hơi đốt nồi 1 là : D = 693,336 (kg/h)

CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

4.1. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt

4.1.1. Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngƣng tụ hơi

Hơi nƣớc sau khi ngƣng tụ sẽ bám lên thành ống truyền nhiệt tạo thành lớp màng mỏng. Tuỳ điều kiện cụ thể mà chọn công thức tính α1 cho thích hợp. Đối với những thiết bị thƣờng gặp nhƣ phòng đốt trong tuần hoàn trung tâm, phòng đốt trong tuần hoàn ngoài hoặc phòng đốt ngoài thẳng đứng (h < 6 m), hơi ngƣng bên ngoài ống, màng nƣớc ngƣng chảy thành dòng thì hệ số cấp nhiệt đƣợc tính theo công thức:

) (

Trong đó :

ri : ẩn nhiệt ngƣng tụ (lấy bằng ẩn nhiệt hoá hơi)

– α1i : hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt – ∆t1i : chênh lệch nhiệt độ nƣớc ngƣng và mặt ngoài ống – – h : chiều cao ống truyền nhiệt ; h = 1,8m – A : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tm (tra bảng trang 29[2])

Nồi 1 :

Giả thuyết ∆t11 = 1,71 0C

( − ) ( − )

Từ giá trị tm1 tính đƣợc, tra bảng ST QTTB T2/29 ta đƣợc : A1 = 194,307

(W/m2.độ)

q11 = α11.∆t11 = 11447,353 . 1,71 = 19574,973 (W/m2.độ)

Tính toán tƣơng tự ta có bảng số liệu sau :

Nồi A ∆t1i, (0C) tm , (0C) α1i , (W/m2.độ) q1i , (W/m2)

1 1,71 142,045 194,307 11447,353 19574,973

2 1,43 107,704 182,467 11366,18 16253,64

4.1.2. Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi

Tuỳ thuộc cấu tạo thiết bị, giá trị của nhiệt tải riêng q, áp suất làm việc và chế độ sôi cũng nhƣ điều kiện đối lƣu của chất lỏng mà chọn công thức tính α2i cho thích hợp.

Thông thƣờng có thể tính α2i theo công thức:

Pi : áp suất làm việc (áp suất hơi thứ), at ∆t2i : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch

∆t2i = tT2i – tddi = ∆Ti – ∆t1i – ∆tTi ; 0C

Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt :

( )

Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt :

rhn , rc : Nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tƣờng, m2.độ/W δ : Bề dày ống truyền nhiệt, m λ : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, W/m.độ Ψ : hệ số hiệu chỉnh, tính theo công thức :

VI.27/71[2]

(λ; ρ ; C ; µ): lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch (Bảng I.249/310[1]) (λ; ρ ; C ; µ)nc : các hằng số vật lý của nƣớc theo nhiệt độ sôi dung dịch (λ; ρ ; C ; µ)dd : các hằng số vật lý của dung dịch

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.

Giá trị này đƣợc tra ở Bảng V.1/4[2] (bề dày các chất này là 0,5 mm)

- Hơi nƣớc có: ( ) - Cặn bẩn có: ( )

Chọn vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt là thép hợp kim X18H10T dày 0,002m, từ Bảng XII.7/313[2] tra đƣợc hệ số dẫn nhiệt ( ) và khối lƣợng riêng (kg/m3).

Khi đó có trở lực là:

( )

Tổn thất nhiệt qua tƣờng ống đó là :

− − −

Hệ số cấp nhiệt từ ống truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 1:

Từ nhiệt độ sôi thực của dung dịch nồi 1, tra hằng số vật lý của nƣớc tại bảng I.249- ST QTTB T1/310 ta đƣợc bảng số liệu:

λ (W/m.độ) ρ (kg/m3) μ (N.s/m2) Cp (J/kg.độ) Ψ1 ts1 = 121,366 0C

Nƣớc 0,686 941,77 0,0002339 4252.558 0,5851 Dung dịch 0,5802 1162,935 0,0008353 3610,8

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaOH đƣợc tính theo công thức:

I.32/123[1]

Trong đó :

A : hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng; A = 3,58. đối với chất lỏng liên kết (nƣớc) : là nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch NaOH, (J/kg.độ) : là khối lƣợng riêng của chất lỏng (tra Bảng I.2/9[1]) M : khối lƣợng phân tử mol của dung dịch NaOH

là phần trăm NaOH theo mol

Nồi 1 :

(phần mol)

( − ) ( )

Vậy :

0,5851 = 2817,244 (W/m2.độ) ( )

So sánh giá trị và :

Chấp nhận giả thiết ∆t11 và ∆t21 ban đầu.

Nồi 2 : Giả thiết ∆t12 = 1,43 0C

− −

Tra bảng trang 29[2] ta đƣợc A2 = 182,467

)

( ) (

( )

Tổn thất nhiệt qua tƣờng ống đó là :

− − −

Hệ số cấp nhiệt từ ống truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 2 là :

Tƣơng tự nhƣ trên, tra hằng số vật lý của nƣớc tại bảng I.249/310[1] ta đƣợc bảng số liệu :

λ (W/m.độ) ρ (kg/m3) μ (N.s/m2) Cp (J/kg.độ) Ψ2 ts1 = 88,055 0C

Nƣớc 0,6795 966,115 0,0003189 4220,97 0,74582 Dung dịch 0,7788 1303,5 0,001370 4251,929

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaOH tính toán tƣơng tự nhƣ trên :

Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng : A = 3,58.

Khối lƣợng phân tử mol của dung dịch NaOH :

(phần mol)

( − ) ( )

Vậy :

0,74582 = 2069,786 (W/m2.độ) ( )

So sánh giá trị và :

Chấp nhận giả thiết ∆t12 và ∆t22 ban đầu.

4.1.3. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi để kiểm tra đối chiếu

4.1.3.1. Hệ số truyền nhiệt giữa hai lƣu thể

Theo phƣơng pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau và nhỏ nhất thì áp dụng công thức:

: hiệu số nhiệt độ hữu ích nồi thứ i : nhiệt tải riêng trung bình nồi i

Suy ra :

( )

Cân bằng nhiệt trong từng nồi của hệ thống :

4.1.3.2. Tính hiệu số nhiệt hữu ích trong từng nồi

Phân bố nhiệt hữu ích trong từng nồi :

Lập tỉ số cho từng nồi :

Nồi ⁄ √ ⁄

21,3696 1 456,6594

21,6656 2 469,3993

43,0352 Tổng 926,0587

Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi đƣợc tính theo công thức :

⁄ ⁄

Và công thức :

√ ⁄

Với là tổng hệ số nhiệt độ hữu ích : 41,8973 0C

Nồi Bề mặt truyền nhiệt bằng nhau Tổng bề mặt truyền nhiệt bé nhất

20,6605

1 20,8045

21,2368

2 21,0928

41,8973

Kiểm tra 41,8973

So sánh ∆Ti* và ∆Ti tính đƣợc ban đầu theo giả thiết của phân bố áp suất

Sai số nồi 1 :

−

| − |

Sai số nồi 2 :

−

| − |

Chấp nhận giả thiết phân phối áp suất ban đầu.

4.1.3.3. Tính bề mặt truyền nhiệt F

- Theo phƣơng thức bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau :

Lƣu ý: F1 và F2 phải bằng nhau

- Theo phƣơng thức tổng bề mặt truyền nhiệt là nhỏ nhất :

∑

√

Tuy nhiên nên tính theo phƣơng thức bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau :

Nồi Bề mặt truyền nhiệt bằng nhau Tổng bề mặt truyền nhiệt bé nhất

22,10307 1 21,95

22,10307 2 22,2541

44,2061 44,2040

Chọn theo phƣơng pháp bề nhiệt truyền nhiệt bằng nhau : F = 22,10307 Theo Bảng VI.6/80[2], thì lấy bằng 25

4.2. Tính toán buồng đốt

Tính số ống truyền nhiệt:

Trong đó:

n : tổng số ống bố trí trên hình 6 cạnh F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, F = 25m2

l : chiều dài ống truyền nhiệt, l = 1,8m

d : đƣờng kính ống truyền nhiệt, m

Chọn đƣờng kính ống truyền nhiệt Bảng VI.6/80[2] dn = 25 mm = 25. m dtr = dn – 2δv = 25 – 2.2 = 21(mm) Chọn kiểu bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều

Do ∝1 > ∝2 nên d là đƣờng kính trong của ống truyền nhiệt

(ống)

Theo bảng qui chuẩn số ống truyền nhiệt: Bảng V.11/48[2]

Chọn n = 217 ống

Vậy tổng số ống là 241 ống

Số hình sáu cạnh là 8

Số ống trong tất cả các viên phân là: b = 17 ống

Đƣờng kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt tính theo công thức:

Dt = t.( b − 1) + 4dn V.140/49[2]

Trong đó:

t : bƣớc ống, thƣờng chọn t = (1,2 ÷1,5).dn

Chọn t = 1,2.dn ⇒ t = 1,2 . 0,025 = 0,03 m

⇒

Theo Bảng XIII.6/359[2]

Chọn Dt = 0,6 m

Đƣờng kính ống tuần hoàn trung tâm

Tổng thiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt:

III-27/121[6]

dn : dƣờng kính ngoài ống truyền nhiệt, dn = 25.10-3 m Thiết diện ngang của ống tuần hoàn (fth) lấy khoảng 15 ÷ 20% thiết diện của tất cả các ống truyền nhiệt (trang 75[2])

trang 121[6]

Chọn fth = 0,2.FD = 0,2.0,118 = 0,0236 (m2) Đƣờng kính trong ống tuần hoàn:

III-26/121[6]

Chọn theo tiêu chuẩn: Dth = 0,25 m trang 291[5]

Đối với ống tuần hoàn trong phải chọn đƣờng kính ống tuần hoàn lớn hơn khoảng 10 lần đƣờng kính ống truyền nhiệt của buồng đốt

Ta có : trang 291[5]

Vậy: Dth = 0,25 m

4.2.1. Đƣờng kính buồng đốt

Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác thì đƣờng kính trong của buồng đốt tính theo công thức:

VI.40/74[2]

Trong đó:

: hệ số, lấy β = 1,2

t : bƣớc ống, t = 0,03m

dn : đƣờng kính ngoài ống truyền nhiệt, dn = 0,025m

Ψ: hệ số sử dụng lƣới đỡ ống ( chọn )

l : Chiều dài ống truyền nhiệt, l = 1,8m

(trang 291[5])

Dth : đƣờng kính ống tuần hoàn trung tâm, Dth = 0,25m Sin60o : 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 F : diện tích bề mặt truyền nhiệt, F = 25m2

0,559(m)

Chọn theo chuẩn đƣờng kính buồng đốt là Dt = 0,6m (Bảng XIII.6/359[2])

Ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm:

Ta có :

(ống)

b: là số ống bị loại nằm trên đƣờng kính ngoài của lục giác đều tính từ tâm ống

chọn b = 10 ống

Suy ra: Số ống bị thay thế: 0,75.( b2 – 1 ) + 1 = 0,75.(102 – 1) + 1 = 76 (ống)

Số ống truyền nhiệt cần thiết: 241 – 76 = 165 ống

Vậy số ống truyền nhiệt lúc này là 165 ống

Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế:

Sai số giữa F thực tế và F lý thuyết = 1,04% < 5% Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt đƣợc chọn là 25 m2 và số ống truyền nhiệt là 165 ống.

4.2.2. Bề dày của thân buồng đốt

Vật liệu dùng để chế tạo buồng đốt thƣờng sử dụng thép chịu nhiệt CT3.

Bề dày của thân buồng đốt hình trụ đƣợc tính theo công thức:

(m) (1) XIII.8/360[2]

Trong đó:

Dt : đƣờng kính trong của buồng đốt, m [] : ứng suất cho phép, N/m2 φ : hệ số bền của thành hình trụ theo phƣơng dọc P : áp suất trong thiết bị, N/m2 C : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày

Ta có:

+ Dt = 0,6 m

+ Trong trƣờng hợp này ta chọn hệ số bền của thành hình trụ bằng hệ số bền của mối hàn hay φ = φh. Dƣạ vào bảng XIII.8/362[2]

φ = 1,0 Chọn φh = 1,0

+ []: bao gồm ứng suất khi kéo [k] và ứng suất cho phép giới hạn chảy [c]

Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền

(N/m2) XIII.1/355[2]

Trong đó:

: hệ số hiệu chỉnh, chọn  = 1 Bảng XIII.2/356[2] nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền, nb = 2,6 Bảng XIII.3/356[2] k: giới hạn bền khi kéo, = 380,106 (N/m2) Bảng XII.4/309[2]

= 146,15 .106 N/m2

Ứng suất cho phép giới hạn chảy [c]

(N/m2) XIII.2/355[2]

Trong đó:

 : hệ số hiệu chỉnh, chọn = 1 Bảng XIII.2/356[2] nc : hệ số an toàn theo giới hạn chảy, nc =1,5 Bảng XIII.3/356[2] = 240.106 N/m2 Bảng XII.4/309[2] c : giới hạn chảy,

= 160.106 N/m2

Ứng suất cho phép sẽ lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điều kiện bền Vậy nên ta chọn: [] = 146,15.106 N/m2

+ Đại lƣợng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lƣợng C đƣợc xác định theo công thức:

(m) XIII.17/363[2] C = C1 + C2 + C3

Trong đó:

C1 : đại lƣợng bổ sung do ăn mòn, C1 = 1 mm C2 : đại lƣợng bổ sung do hao mòn, C2 = 0 C3 : đại lƣợng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, C3 = 0,5 mm Bảng XIII.9/364[2] C= 1 + 0 + 0,5= 1,5 mm = 1,5.10-3 m

Nồi 1:

Áp suất tính toán trong thiết bị là P = P1 = 4 . 9,81.104 = 392400 N/m2

Vì: .1 = 372,45 > 50 do đó có thể bỏ qua đại lƣợng P ở mẫu số của . =

công thức (1).

= 2,3.10-3 m = 2,3 mm

Chọn S1 = 3 mm

Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử

(N/m2) XIII.26/365[2]

Trong đó:

Po: là áp suất thử tính toán.

Po = Pth + p1, với p1 = 0

Pth: áp suất thử thuỷ tĩnh

Vì P1 = 392400 N/m2 nằm trong khoảng 0,07.106 ÷ 0,5.106 N/m2 Chọn Pth = 1,5.P1 Bảng XIII.5/358[2]

Po1 = 1,5. 392400 = 588600 N/m2

Và = 200.106 N/m2

Vậy chọn S1 = 3 mm là đạt yêu cầu.

Nồi 2:

Áp suất tính toán trong thiết bị là:

P = Phđ2 = P2 =1,388 .9,81.104 = 136162,8 N/m2

Vì: .1 = 1073,3 > 50 do đó có thể bỏ qua đại lƣợng P ở mẫu . =

của công thức (1)

= 1,78.10-3 m = 1,78mm

Chọn S2 = 2mm

Kiểm tra ứng suất thử Po2 = 1,5.136162,8 = 204244,2 N/m2

= 122,65.106 < 200.106 N/m2

Chọn S2 = 2mm

Vậy ta có thể chọn bề dày thân buồng đốt của cả 2 nồi là S = 3mm

4.2.3. Bề dày đáy buồng đốt

900 Bề dày đáy buồng đốt đƣợc chọn tính theo nón có gờ, vật liệu là thép CT3, góc ở đáy = 450 và = 0,15. Bảng XIII.22/396[2]

XIII.52/399[2]

XIII.53/399[2]

Trong đó

y : yếu tố hình dạng đáy, xác định theo đồ thị hình XIII.15/400[2], tra đƣợc y = 1,3 : là hệ số bền của mối hàn vòng trên

Chọn = 1 XIII.8/362[2] d : là đƣờng kính lỗ tâm ở đáy d = 0,05 m D’: là đƣờng kính ( m ). Đối với đáy nón có gờ:

C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)

Vật liệu thép CT3 có giới hạn bền:

= 380.106 N/m2 Bảng XII.4/309[2]

= 240.106 N/m2

Suy ra ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền:

XIII.5/356[2]

Trong đó: η: hệ số hiệu chỉnh, chọn η = 1 Bảng XIII.2/356[2]

nk : hệ số an toàn bền, chọn nk = 2,6 ; nc = 1,5 Bảng XIII.3/356[2]

N/m2

Vậy chọn = 1,462.108 N/m2

Đại lƣợng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lƣợng C đƣợc xác định theo công thức:

C = C1 + C2 + C3 (m) XIII.17/363[2]

Trong đó:

C1 : đại lƣợng bổ sung do ăn mòn, C1 = 1 mm

C2 : đại lƣợng bổ sung do hao mòn, C2 = 0

C3 : đại lƣợng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm

vật liệu, C3 = 0,5 mm Bảng XIII.9/364[2] C = 1 + 0 + 0,5 = 1,5 mm = 1,5.10-3 m

Xác định D’: D’= 0,6 – 2.[ 0,15.0,6. ( 1 – cos450) + 10.0,003.sin450] = 0,5 > 0,5.[ 0,6 – 2.0,15.0,6.(1- cos450) + 0,05 ] = 0,3

Hệ số bền của đáy nón theo phƣơng dọc φ = = 1

Vì : .1 = 372,58 > 50 do đó có thể bỏ qua đại lƣợng P ở mẫu của công . =

thức XIII.53/399[2], ta có:

Đại lƣợng tính theo CT XIII.52 lớn hơn, ta chọn kết quả này.

Đại lƣợng (Sd – C) = 0,95 mm < 10 mm nên ta tăng thêm 2 mm so với giá trị C (trang386[2])

Do đó C = (1,5 + 2).10-3 = 3,5.10-3 (m) S = (3 + 3,5).10-3 = 6,5.10-3 (m)

Chọn chiều dày đáy buồng đốt là S = 8 mm Bảng XIII.9/364[2]

Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng CT

(N/m2) XIII.55[2]

Trong đó: Po : là áp suất thử tính toán.

Chọn Po = Pth + p1 XIII.27/366[2]

Pth: áp suất thử thuỷ tĩnh của nƣớc

Chọn Pth = 1,5.P XIII.5/358[2]

p1 tính theo CT XIII.10/360[2]

Với chiều cao đáy nón là H = 0,323 m Bảng XIII.22/396[2] Po = 1,5.392400 + 9,81.1162,935.0,323 = 5,92.105 N/m2

N/m2

Vậy chọn chiều dày đáy buồng đốt là S = 8 mm

4.3. Tính toán buồng bốc

4.3.1. Đƣờng kính buồng bốc

Chọn đƣờng kính buồng bốc: Dt = 0,9m Bảng XIII.6/359[2]

4.3.2. Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi đƣợc xác định theo công thức:

(m3) VI.32/71[2]

Trong đó:

Vkgh : thể tích không gian hơi, m3 W : lƣợng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h : khối lƣợng riêng của hơi thứ, kg/m3

Utt : cƣờng độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi trong một đơn vị thời gian, m3/m3 .h

Đại lƣợng Utt chịu ảnh hƣởng bởi các yếu tố sau:

– Nồng độ dung dịch (d), chƣa đƣợc xác lập chính xác do đó khi tính một cách gần đúng với dung dịch đậm đặc, có thể lấy gần đúng: Utt = (1600 ÷ 1700).f (m3/m3.h) Ta chọn Utt = 1700 m3/m3.h

) – Áp suất hơi thứ cũng có ảnh hƣởng đáng kể tới Utt do đó Utt = f.Utt(1at) (khi P (theo CT VI.33/72[2])

Trong đó:

Utt(1at) : cƣờng độ bốc hơi cho phép ở P =1 at.

F : hệ số điều chỉnh

Chiều cao không gian hơi: VI.34/72[2]

= 1,436 at

Nồi 1:

Pht1 = tht1 = t’1 = 109,419 oC

= 0,8112 kg/m3 Bảng I.250/312[1]

Tra đồ thị, ta đƣợc f = 0,9 VI.3/72[2] Vậy : Utt = 0,9.1700 = 1530( m3/m3.h)

= 0,495(m3)

= 0,778(m) Hkgh =

= 0,211 at

Nồi 2:

Pht2 = tht2 = 60,7oC

= 0,1344 kg/m3 Bảng I.250/312[1]

Tra đồ thị, ta đƣợc f = 1,6 VI.3/72[2] Vậy : Utt = 1,6.1700 = 2720 m3/m3.h

= 1,7(m3)

= 2,6(m) Hkgh =

Chọn chiều cao của phần dịch sôi tràn lên phần buồng bốc là 0,4m.

Chọn chiều cao buồng bốc cho cả hai nồi là Hb = 3m. (trang 73/[2])

4.3.3. Bề dày buồng bốc

Vật liệu bằng thép CT3, bề dày đƣợc tính theo công thức:

XIII.8/360[2]

Trong đó: Dt = 0,9 m

Chọn = 1

=1,436 . 9,81.104 = 140871,6 (N/m2)

Nồi 1:

Pht1 : áp suất trong thiết bị

Ta có : .1 = 1037,8 > 50 do đó có thể bỏ qua đại lƣợng P ở mẫu .=

Chọn C = C1 + C2 + C3 = (1+ 0 + 0,5).10-3 = 1,5.10-3(m)

Nên ta có: = 1,93.10-3(m)

Chọn chiều dày buồng bốc là S = 2(mm).

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử

Theo CT XIII.26/365[2], ta có:

, (N/m2)

Với Po = 1,5.Pht1 + p1 = 1,5. 140871,6 + 0,4.9,81.1162,935 = 215870,7 (N/m2)

Vậy chọn bề dày buồng bốc nồi 1 là S = 2 (mm)

= 0,211.9,81.104 = 20699,1 (N/m2)

Nồi 2:

Pht2 : áp suất trong thiết bị

Ta có : .1 = 7063,1 > 50 do đó có thể bỏ qua đại lƣợng P ở mẫu .=

Chọn C = C1 + C2 + C3 = (1 + 0 + 0,5).10-3 = 1,5.10-3 (m)

Nên ta có: = 1,56.10-3(m)

Chọn chiều dày buồng bốc là S = 2(mm).

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

Theo CT XIII.26/365[2], ta có:

, (N/m2)

Với Po =1,5.Pht2 + p2 = 1,5 . 20699,1 + 0,4.9,81.1303,5 = 36163,6 (N/m2)

Vậy chọn bề dày buồng bốc của cả hai nồi là S = 2 (mm).

4.3.4. Bề dày nắp buồng bốc

Đƣợc tính theo đáy bán cầu, vật liệu là thép CT3

XIII.47/385[2]

Trong đó:

hb : là chiều cao phần lồi của đáy, m

Chọn hb = 0,25.Dt = 0,25.0,9 = 0,225 (m)

: là hệ số bền của mối hàn hƣớng tâm, chọn = 1

k: là hệ số không thứ nguyên đƣợc xác định bởi công thức: k = 1 − d/Dt XIII.48/385[2]

Nắp có lỗ đƣợc tăng cứng hoàn toàn k = 1.

Nồi 1:

Ta có: = 70,63 > 50

Do đó có thể bỏ qua đại lƣợng P ở mẫu

= 0,067.10-3 + C (m)

Vì: S – C= 0,067.10-3 < 10.10-3 (m)

Nên ta tăng C thêm 2 mm so với giá trị Do đó C = 3,5.10-3 (m) Suy ra: S = (0,06 +3,5).10-3 = 3,56.10-3 (m)

Theo Bảng XIII.9/364[2] chọn chiều dày nắp buồng bốc nồi 1 là S = 4 mm.

Kiểm tra ứng suất thành

XIII.49/386[2]

vì Pht1 = 140871,6 N/m2 nằm trong khoảng 0,07.106 ÷ 0,5.106 (N/m2) Chọn Pth = 1,5.Pht1

Po = 1,5. 140871,6 + 9,81.1162,935.0,4 = 216441,2 (N/m2)

= 205,1.106 > 200.106 (N/m2)

Vậy chọn chiều dày nắp buồng bốc nồi 1 là S = 5 mm (Bảng XIII.9/364[2])

Nồi 2:

Vì buồng bốc nồi 2 làm việc ở áp suất chân không và áp suất ngoài nên:

P = Pht2 + pn = (0,211 + 1).9.81.104 = 118799,1 (N/m2)

Ta có:

Do đó có thể bỏ đại lƣợng P ở mẫu:

= 0,38.10-3 + C , m

Vì S – C = 0,38.10-3 < 10.10-3 m Nên tăng C thêm 2 (mm), suy ra C = 3,5.10-3 m Khi đó S = (0,34 +3,5).10-3 = 3,84.10-3 (m)

Ta chọn S = 4 mm

Kiểm tra ứng suất thành:

XIII.49/386[2]

Vì P = 118799,1 (N/m2) nằm trong khoảng 0,07.106 ÷ 0,5.106 N/m2

Chọn Pth = 1,5.P Vì Pht2 = 1,5. 118799,1 + 9,81.1303,5 .0,4 = 183313,6 (N/m2)

(N/m2)

Vậy chọn S2 = 4 mm

Ta chọn bề dày nắp buồng bốc cho cả 2 nồi là: S = 5 mm

4.4. Đƣờng kính các ống dẫn

Phƣơng trình lƣu lƣợng: VI.41/74[2]

, m

Trong đó:

: là tốc độ thích hợp đi trong ống, m/s – Vs : là lƣu lƣợng khí, hơi, dung dịch chảy trong ống, m3/s –

Chọn m/s (đối với hơi bão hòa, chọn ω = 20 ÷ 40 (m/s)

m/s (đối với chất lỏng nhớt, chọn ω = 0,5 ÷ 1 (m/s)

Mà: Vs = W.v

– W: là lƣu lƣợng khối lƣợng, kg/s – v : là thể tích riêng , m3/kg

4.4.1. Đƣờng kính ống dẫn hơi đốt

Nồi 1:

0,193 (kg/s)

Ở nhiệt độ thd1 = T1 = 142,9 oC

v = 0,4718 m3/kg Bảng I.250/314[1]

Suy ra: 0,076 (m)

Chọn d = 80(mm) Bảng XIII.26/412[2]

Nồi 2:

(kg/s)

Ở nhiệt độ thđ2 = T2 = 108,42 0C ⇒ v =1,273 m3/kg Bảng I.250/312[1]

Suy ra:

Chọn d = 125 mm Bảng XIII.26/413[2]

Tóm lại, chọn cùng loại đƣờng kính ống dẫn hơi đốt cả 2 nồi là d = 125 mm với đƣờng kính ngoài dn = 133 mm.

4.4.2. Đƣờng kính ống dẫn hơi thứ

Nồi 1:

Đƣờng kính ống dẫn hơi thứ nồi 1 bằng đƣờng kính ống dẫn hơi đốt nồi 2.

Suy ra d =125 mm

= 60,7 0C

Nồi 2:

Ở v = 7,48 m3/kg Bảng I.250/312[1]

0,176 (kg/s)

(m)

Theo bảng XIII.26/415[2]

Chọn d = 300 mm với đƣờng kính ngoài dn = 325 mm

4.4.3. Đƣờng kính ống dẫn dung dịch

Chọn thép chế tạo ống dẫn dung dịch là thép hợp kim X18H10T

4.4.3.1.Đƣờng kính ống dẫn dung dịch đầu vào thiết bị gia nhiệt

Ta có: (kg/s)

Giả sử dung dịch ban đầu có nhiệt độ t = 25 oC và xđ = 15% Tra bảng I.23/35[1] ta có:

=1166,5 kg/m3 v = = = 0,857. (m3/kg)

Chọn ω = 1 m/s

(m)

Chọn d = 32 mm, dn = 38 mm Bảng XIII.26/411[2]

Từ thiết bị gia nhiệt vào nồi 1

Ta có :

(kg/s)

Giả sử nồi gia nhiệt tăng nhiệt độ dung dịch đầu từ 25 0C lên 100 0C. Ở t = 100 0C , xđ = 15% ρ =1117 kg/m3 Bảng I.57/35[1]

( )

(m)

Chọn d = 32 mm, dn = 38 mm Bảng XIII.26/411[2]

Từ nồi 1 vào nồi 2

Ta có: 0,52 (kg/s)

Dung dịch ra khỏi nồi 1 có: x1 = 20 % và ở nhiệt độ là 121,366 oC ρ = 1154 kg/m3 (tra và nội suy từ bảng 4/11[3]

(m3/kg)

(m)

Chọn d = 25 mm, dn = 32 mm Bảng XIII.26/410[2]

Ra khỏi nồi 2 đến thùng chứa sản phẩm

Lƣu lƣợng khối lƣợng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1 là:

0,35 (kg/s)

Dung dịch ra khỏi nồi 2 có : xc = 30% và nhiệt độ là 88,055 0C ρ = 1284 kg/m3

(m3/kg)

(m)

Chọn d = 20 mm, dn = 25 mm Bảng XIII.26/409[2]

Tóm lại, chọn đƣờng kính ống dẫn dung dịch cho toàn hệ thống là d = 32 mm, dn = 38 mm.

4.4.3.2. Đƣờng kính ống tháo nƣớc ngƣng

Nồi 1 :

Lƣu lƣợng khối lƣợng là: 0,193 (kg/s)

Ta có thd1 = T1 = 142,9 oC

= 923,76 kg/m3 Bảng I.5/11[1]

v = = =1,083.10-3 (m3/kg)

(m)

Chọn d = 20 mm , dn = 25 mm Bảng XIII.26/410[2]

Nồi 2 :

Lƣu lƣợng khối lƣợng là:

Ta có thd2 = T2 = 108,42 oC ρ = 952,2 kg/m3 Bảng I.5/11[1]

v = = =1,05.10-3 (m3/kg)

(m)

Chọn d = 20 mm , dn = 25 mm Bảng XIII.26/410[2]

Vậy, chọn đƣờng kính ống dẫn nƣớc ngƣng cho toàn hệ thống là d = 20 mm, dn = 25mm.

Bảng 4. 1. Đường kính các loại ống dẫn

Ống dẫn Đƣờng kính trong d (mm) Đƣờng kính ngoài dn (mm)

Ống dẫn hơi đốt 125 133

Ống dẫn hơi thứ nồi 1 125 133

Ống dẫn hơi thứ nồi 2 300 325

32 38 Ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị gia nhiệt

Ống dẫn dung dịch 32 38

Ống tháo nƣớc ngƣng 20 25

4.5. Chiều dày vỉ ống

Buồng đốt có 2 vỉ ống cố định đƣợc hàn vào mặt trên và mặt dƣới. Chiều dày vỉ ống phải đảm bảo giữ chặt ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn, bền dƣới tác dụng của các loại ứng suất, chống đƣợc ăn mòn. Chọn phƣơng pháp gắn ống vào vỉ bằng phƣơng pháp nong.

Chiều dày tối thiểu:

( )

đƣờng kính ngoài ống truyền nhiệt, = 25mm

Để giữ nguyên hình dạng vỉ ống sau khi nong cần đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi 2 thành lỗ gần nhất phải lớn hơn tiết diện nhỏ nhất cho phép :

⇒ ( − ) − −

Với: = t = 30mm

−

Vậy: bề dày vỉ ống là .

4.6. Chiều dày lớp cách nhiệt

Để nhiệt truyền qua thành thiết bị hay ống dẫn thoát ra ngoài không khí không làm tổn thất nhiệt lƣợng, ta phải bọc thiết bị hay ống dẫn bằng một vật liệu dẫn nhiệt kém gọi là lớp cách nhiệt.

4.6.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn

Bề dày lớp cách nhiệt bọc các ống dẫn trong điều kiện cấp nhiệt ra ngoài không khí chuyển động tự do, nhiệt độ môi trƣờng xung quanh khoảng 20 oC đƣợc tính theo công thức:

V.137/41[2]

Trong đó:

– dn: đƣờng kính ngoài của ống dẫn (không kể lớp cách nhiệt)

: hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt, W/m.độ –

– q : nhiệt tổn thất tính theo 1 m chiều dài ống, W/m – tT2 : nhiệt độ mặt ngoài của ống kim loại chƣa kể lớp cách nhiệt, oC Chọn chất cách nhiệt là bông thủy tinh, với:

= 0,0372 W/m.độ Bảng I.126/128[1] = 200 kg/m3 Bảng I.1/8[1] – –

4.6.1.1. Ống dẫn hơi đốt

Bảng 4. 2. Ống dẫn hơi đốt

Nồi 1 Nồi 2

133 133 dn (mm)

142,9 108,42 tT2 (oC)

λ (W/m.độ) 0,0372 0,0372

100,8 80,6 q (W/m) tra bảng V.7- ST QTTB T2/42

Nồi 1:

(mm)

Theo quy chuẩn chọn δ = 8 mm

Nồi 2:

(mm)

Theo quy chuẩn chọn δ = 8 mm

4.5.1.2. Ống dẫn hơi thứ

Nồi 1:

Ống dẫn hơi thứ nồi 1 là ống dẫn hơi đốt nồi 2 nên bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi thứ 1 là: 8 mm.

Nồi 2:

Bảng 4. 3. Ống dẫn hơi thứ

Nồi 2

325 dn (mm)

60,7 tT2 (oC)

λ (W/m.độ) 0,0372

q (W/m) tra Bảng V.7/42[2] 95,3

(mm)

Theo quy chuẩn chọn = 8 mm

4.5.1.3. Ống dẫn dung dịch

Bảng 4. 4. Ống dẫn dung dịch

vào nồi 1 từ nồi 1 qua nồi 2 từ nồi 2 qua bình chứa

38 32 25 dn (mm)

100 121,366 80,055 tT2 (oC)

λ (W/m.độ) 0,0372 0,0372 0,0372

46,5 56,96 36,29 q (W/m) tra Bảng V.7/42[2]

3,2 2,5 2,13

Theo quy chuẩn chọn = 4 mm

4.5.1.4. Ống dẫn tuần hoàn ngoài

Nồi 1:

Bề dày lớp cách nhiệt bằng bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn dung dịch từ nồi 1 sang bể chứa sản phẩm, = 4 mm

Nồi 2:

Bề dày lớp cách nhiệt bằng bề dày lớp cách nhiệt của ông dẫn dung dịch từ nồi 2 sang nồi 1, δ = 4 mm

4.6.2. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị

Bề dày lớp cách nhiệt cho thân đƣợc tính theo công thức:

VI.66/92[2]

Trong đó :

– –

tT2 : nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí (40 ÷ 50 oC), chọn tT2 = 40 oC tT1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị, vì trở lực nhiệt tƣờng thiết bị rất nhỏ so với trở lực nhiệt của lớp cách nhiệt cho nên tT1 có thể lấy gần bằng nhiệt độ hơi đốt, T1 =142,9 oC tkk : nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, tkk = 25 oC – – λ : hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt (bông thuỷ tinh) ( λ = 0,0372 W/mđộ)

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

n = 9,3 + 0,058.tT2 VI.67/ 92[2]

n = 9,3 + 0,058.40 = 11,62 W/m2. độ

Bề dày lớp cách nhiệt:.

= = 0,022 (m) a =

Theo quy chuẩn chọn = 22mm

Do điều kiện làm việc của buồng đốt và buồng bốc của 2 tƣơng tự nhau nên ta chọn  = 22 (mm) cho cả buồng đốt và buồng bốc của cả 2 nồi.

4.7. Chọn mặt bích

Mặt bích là một bộ phận quan trọng để nối các phần của thiết bị cũng nhƣ các bộ phận khác với thiết bị.

Công nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích, phƣơng pháp nối với áp suất môi trƣờng.

Hệ thống cô đặc đang tính có áp suất làm việc không cao lắm nên chọn loại bích liền để nối các bộ phận của thiết bị.

4.7.1. Buồng đốt

Áp suất thủy tĩnh trong phần dƣới thân thiết bị là:

XIII.10/360[2]

Trong đó:

– g: gia tốc trọng trƣờng, g = 9,81 m/s2

: khối lƣợng riêng của chất lỏng, kg/m3 –

Với Phđ1 = 4 at, = 923,76 kg/m3

Áp suất tính toán trong thiết bị:

Nồi 1:

P = Phđ1 + P1 = 4.9,81.104 + 9,81 . 923,76 .1,8 = 408711,7 (N/m2)

Nồi 2:

P = Phđ2 + P1 = 1,388 . 9,81.104 + 9,81. 952,2 .1,8 = 152976,7 (N/m2)

4.7.2. Buồng bốc

Áp suất buồng bốc

Nồi 1:

P = Pht1 + P1 = 1,436 .9,81.104 + 9,81.951,41.0,4 = 144605(N/m2)

Nồi 2:

P = Pht2 + P1 = 0,211 . 9,81.104 + 9,81.982,87 .0,4 = 24556 (N/m2) Theo bảng tra XIII.26/419 − 420[2]

Bảng 4. 5. Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc.

Kích thƣớc ống nối Bu-lông h Dt Z D Db Di Do db Thiết bị P.106 (N/m2) (mm)

mm Cái

0,408 600 740 690 650 611 M20 20 20 Buồng đốt

0,246 900 1030 980 950 911 M20 24 20 Buồng bốc

Chọn bích để nối các bộ phận với ống dẫn, chọn bích liền kiểu 1 (Theo Bảng XIII.26/419 − 420[2]

Bảng 4. 6. Kích thước bích nối các ống dẫn

Kích thƣớc ống nối Bu-lông h Dy Dn

D Z Db D1 db Ống dẫn

mm cái

Hơi đốt 125 133 235 200 178 M16 14 8

Hơi thứ nồi1 125 133 235 200 178 M16 14 8

Hơi thứ nồi 2 300 325 435 395 365 M20 12 22

12 4 NL vào TBGN 32 38 120 90 70 M12

12 4 Dung dịch 32 38 120 90 70 M12

12 4 Tháo nƣớc ngƣng 20 25 90 65 50 M10

4.8. Chọn tai treo

Chọn 4 tai treo bằng thép CT3 cho một buồng đốt

Tải trọng cho 1 tai treo đƣợc tính theo công thức :

, N 8-68/191[4]

Gmax : trọng lƣợng lớn nhất của thiết bị, N

Gmax = Gthân(bđ+bb) + Gnắp + Gđáy + Gcách nhiệt + Glỏng + Ghơi + Gbích + Gống + Gvỉ

4.8.1. Khối lƣợng đáy buồng đốt

Ứng với chiều dày đáy buồng đốt là S = 8 mm, đƣờng kính trong Dt = 0,6 m

Chiều cao gờ h = 0,025 m

Khối lƣợng của đáy thiết bị

Gđáy = 28 kg Bảng XIII.11/384[2]

4.8.2. Khối lƣợng thân buồng đốt

Bề dày buồng đốt là S = 3 mm

Khối lƣợng thân buồng đốt

Chiều cao buồng đốt H = 1,8 m

Khối lƣợng riêng vật liệu CT3: ρ = 7850 kg/m3 Bảng XII.7/313[2]

Dn = Dt + 2.S = 0,6 + 2.0,003 = 0,606 (m)

4.8.3. Khối lƣợng nắp buồng bốc

Ứng với chiều dày nắp buồng bốc là S = 4 mm, đƣờng kính trong Dt = 0,8 m

chiều cao gờ h = 0,025 m

Khối lƣợng của nắp thiết bị:

Gđáy = 24,2 kg Bảng XIII.11/384[2]

4.8.4. Khối lƣợng thân buồng bốc

Với bề dày buồng bốc là S = 2 mm

Khối lƣợng thân buồng bốc :

Chiều cao buồng bốc H = 3 m

Khối lƣợng riêng vật liệu CT3:

kg/m3 Bảng XII.7/313[2]

Dn = Dt + 2.S = 0,9 + 2.0,002 = 0,904 m

Vậy : kg

4.8.5. Khối lƣợng lớp cách nhiệt

- Buồng đốt: Chiều cao H = 1,8 m

Đƣờng kính trong D’t = 0,606 m

Đƣờng kính ngoài D’n = D’t + 2.S = 0,606 + 2.0,022 = 0,65 (m)

Khối lƣợng bông thủy tinh kg/m3

(kg)

- Buồng bốc: Chiều cao H = 3 m

Đƣờng kính trong D’t = 0,904 m

Đƣờng kính ngoài D’n = D’t + 2.S = 0,904 + 2.0,022 = 0,948 (m)

Khối lƣợng riêng bông thủy tinh kg/m3

(kg)

Nên khối lƣợng lớp cách nhiệt:

(kg)

4.8.6. Khối lƣợng cột chất lỏng

Áp dụng công thức:

Chiều cao cột lỏng H = 1,8 m

Khối lƣợng riêng lớn nhất của chất lỏng kg/m3

Tổng số ống truyền nhiệt 165 ống

Đƣờng kính trong Dt = 0,032 m

4.8.7. Khối lƣợng cột hơi

Áp dụng công thức:

Chiều cao cột hơi H = 3 m

Khối lƣợng riêng lớn nhất của chất lỏng kg/m3 (Ứng với P = 4 at tra bảng

I.251/315[1])

Đƣờng kính trong Dt = 0,9 m

(kg)

4.8.8. Khối lƣợng bích

Chọn vật liệu làm bích là thép hợp kim X18H10T

Áp dụng công thức:

n: là số lƣợng bích Khối lƣợng riêng vật liệu làm bích X18H10T: ρ = 7900 kg/m3

Tra bảng XIII.26/409[2] đối với bích nối bộ phận thiết bị và ống dẫn (bích liền bằng kim loại đen)

Tra bảng XIII.27/417[2] đối với bích liền nối thiết bị

Bảng 4. 7. Khối lượng bích

Khối lƣợng Bích D h n Dn M

Buồng đốt 0,74 0,6 0,02 46,56 2

Buồng bốc 1,03 0,9 0,02 62,27 2

Hơi đốt 0,235 0,133 0,014 6,52 2

Hơi thứ 0,435 0,325 0,022 22,82 2

Ống dẫn dung dịch 0,12 0,038 0,012 3,86 4

Tháo nƣớc ngƣng 0,09 0,025 0,012 1,1 2

Tổng khối lƣợng bích (kg) 143,13

4.8.9. Khối lƣợng ống truyền nhiệt

Chọn vật liệu ống truyền nhiệt là thép hợp kim X18H10T,

Khối lƣợng của toàn bộ ống truyền nhiệt: bố trí 241 ống truyền nhiệt kể cả trong hình viên phân (Bảng V.11/48[2])

(kg)

4.8.10. Khối lƣợng vỉ ống

Chọn thép chế tạo vỉ ống là thép hợp kim X18H10T

Thể tích thép làm vỉ ống bao gồm cả 2 bích:

Tổng diện tích các lỗ:

Diện tích vỉ:

Diện tích còn lại: Scl = 0,43 − 0,106 = 0,324 (m2) Khối lƣợng vỉ và bích:

h = 10 mm: chiều dày vỉ ống

Tóm lại, tổng tỉ trọng tác dụng lên tai treo:

G = [Mthân (đốt + bốc) + Mnắp + Mđáy + Mcách nhiệt + Mlỏng + Mhơi + Mbích + Mống + Mvỉ] .9,81

= (80,26 + 133,4 + 24,2 + 28 + 47,84 + 269 + 4 + 143,13 + 494,99 + 51,2 ).9,81 = 12517,8 N

Vậy tải trọng 1 tai treo : N

Chọn theo bảng XIII.36/438[2] với tải trọng 1 tai treo lấy bằng 0,5.104 N (tai treo thiết bị thẳng đứng).

Bảng 4. 8. Các thông số của tai treo

L B H s l a d B1

Khối lƣợng một tai treo mtt

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ (G.10-6, N/m2) (kg) Bề mặt đỡ (F.104, m2) Tải trọng cho phép lên tai treo (G.10-4, N)

(mm)

0,5 72,5 0,69 100 75 85 155 6 40 15 18 1,23

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN

Sau một thời gian cố gắng tìm đọc, tra cứu tài liệu tham khảo, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy cô bộ môn và thầy hƣớng dẫn em đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án thiết kế đƣợc giao. Qua quá trình tiến hành em đã rút ra đƣợc một số nhận xét sau:

– Việc thiết kế và tính toán một hệ thống cô đặc là việc làm phức tạp, đòi hỏi tính tỉ mỉ và lâu dài. Nó không những yêu cầu ngƣời thiết kế phải có kiến thức thực sự sâu về quá trình cô đặc mà còn phải biết một số lĩnh vực khác nhƣ: Cấu tạo các thiết bị phụ khác, các quy chuẩn trong bản vẽ kĩ thuật…

– Công thức tính toán không còn gò bó nhƣ những môn học khác mà đƣợc mở rộng dựa trên các giả thiết về điều kiện, chế độ làm việc của thiết bị. Bởi trong khi tính toán, ngƣời thiết kế đã tính toán đến một số ảnh hƣởng ở điều kiện thực tế, nên khi đem vào hoạt động thì hệ thống sẽ làm việc ổn định.

– Không chỉ có vậy, việc thiết kế đồ án môn quá trình thiết bị này còn giúp em củng cố thêm nhƣng kiến thức về quá trình cô đặc nói riêng và các quá trình khác nhằm nâng cao kĩ năng tra cứu tính toán và sử lý số liệu

Viêc thiết kế đồ án học phần là một cơ hội cho sinh viên ngành hóa nói chung và bản thân em nói riêng làm quen với công việc của một kỹ sƣ hóa học

Để hoàn thành nhiệm vụ thiết kế đƣợc giao chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Hoài Đức là giáo viên hƣớng dẫn trực tiếp đã tận tình giúp đỡ và cung cấp những kiến thức cơ bản về các quá trình và các thiết bị chủ yếu

Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành tốt nhiệm vụ nhƣng không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình tính toán thiết kế. Em mong đƣợc thầy cô xem xét và chỉ dẫn thêm.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên – Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 1 - NXB KHKT Hà Nội, 1992

[2]. TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toản – Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 2 – NXB KHKT Hà Nội

[3]. Bộ môn Máy và Thiết bị – Bảng tra cứu Quá trình cơ học, Truyền nhiệt và Truyền khối – NXB ĐHBK T.p Hồ Chí Minh, 2012

[4]. Hồ Lê Viên – Tính toán, thiết kế thiết bị hoá chất và dầu khí, NXB KHKT Hà Nội, 2006

[5]. Phạm Văn Bôn (chủ biên) – Nguyễn Đình Thọ, Quá trình & Thiết bị CNHH – Tập 5 – Quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt, NXB Đại Học Quốc gia TpHCM, 9/2004

[6]. Phạm Văn Thơm – Sổ tay thiết kế hóa chất và thực phẩm, Bộ Giáo dục và Đào tạo, 1992

[7]. Bộ môn QTTB CN Hoá và Thực phẩm – Tài liệu hƣớng dẫn thiết kế đồ án môn học QTTB CNH TP (thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều), ĐHBK HN, 2012.

Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

CHƢƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ

2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ

2.2.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều

2.2.2. Nguyên lý làm việc của hê thống thiết bị cô đặc

2.2.3. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc

2.2.4. Nguyên lý làm việc của ống tuần hoàn trung tâm

2.2.5. Thiết bị ngƣng tụ Baromet và thiết bị phụ khác

CHƢƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu

3.2.

3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi

3.2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ

3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất

0C

3.2.4. Hệ số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi 0C

− − 3.2.5. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi

3.2.6. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở mỗi nồi

CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

4.1. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt

4.1.1. Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngƣng tụ hơi

4.1.2. Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi

4.1.3. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi để kiểm tra đối chiếu

4.2. Tính toán buồng đốt

4.2.1. Đƣờng kính buồng đốt

4.2.2. Bề dày của thân buồng đốt

4.2.3. Bề dày đáy buồng đốt

4.3. Tính toán buồng bốc

4.3.1. Đƣờng kính buồng bốc

4.3.2. Chiều cao buồng bốc

4.3.3. Bề dày buồng bốc

4.3.4. Bề dày nắp buồng bốc

4.4. Đƣờng kính các ống dẫn

4.4.1. Đƣờng kính ống dẫn hơi đốt

4.4.2. Đƣờng kính ống dẫn hơi thứ

4.4.3. Đƣờng kính ống dẫn dung dịch

4.5. Chiều dày vỉ ống

4.6. Chiều dày lớp cách nhiệt

4.6.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn

4.6.2. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị

4.7. Chọn mặt bích

4.7.1. Buồng đốt

4.7.2. Buồng bốc

4.8. Chọn tai treo

4.8.1. Khối lƣợng đáy buồng đốt

4.8.2. Khối lƣợng thân buồng đốt

4.8.3. Khối lƣợng nắp buồng bốc

4.8.4. Khối lƣợng thân buồng bốc

4.8.5. Khối lƣợng lớp cách nhiệt

4.8.6. Khối lƣợng cột chất lỏng

4.8.7. Khối lƣợng cột hơi

4.8.8. Khối lƣợng bích

4.8.9. Khối lƣợng ống truyền nhiệt

4.8.10. Khối lƣợng vỉ ống

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên – Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 1 - NXB KHKT Hà Nội, 1992

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ