LVTN tinh toan, thiet ke may co quay chan khong dung cho phong thi nghiem

Mẫu trình bày TLTNLVTN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY CÔ QUAY DÙNG CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM CÁN BỘ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

- -LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY CÔ QUAY DÙNG CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM

Ngô Như Ngoan; MSSV: B1803415

Ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy – Khóa: 44

SVTH: Dương Tuấn Khải – 2 –

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trongquãng đời mỗi sinh viên Luận văn tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng emnhững kỹ năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu trước khi lập nghiệp

Chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy Võ Mạnh Duy đã tận tình giúp đỡ, địnhhướng cách tư duy và cách làm việc khoa học Đó là những góp ý hết sức quý báukhông chỉ trong quá trình thực hiện luận văn này mà còn là hành trang tiếp bước cho

em trong quá trình học tập và lập nghiệp sau này

Và hơn hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng đến quý thầy cô trườngĐại học Cần Thơ đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt những kiến thức quý báo cho chúng

em trong thời gian vừa qua để chúng em có đủ kiến thức, điều kiện để thực hiện đề tàinày Đồng thời chúng em cũng rất biết ơn các cán bộ trực ở thư viện khoa công nghệ,trung tâm học liệu, phòng máy đã hỗ trợ giúp đỡ chúng em trong thời gian qua

Đồng cảm ơn đến các tác giả trong các quyển sách báo, internet, anh chị đitrước đã tìm tòi, nghiên cứu đúc kết kinh nghiệm làm tài liệu để em có thể tham khảotrong quá trình thực hiện đề tài

Sau cùng tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp Cơ khí chế tạo máy, khoa Công nghệ,trường Đại học Cần Thơ đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ cho tôi thực hiện tiểu luận này

Cần Thơ, ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện Sinh viên thực hiện

TÓM TẮT

Đề tài luận văn tốt nghiệp “Tính toán, thiết kế máy cô quay dùng cho phòng thínghiệm” Gồm các nội dung bắt đầu từ việc tìm hiểu về nguyên lý máy cô quay chânkhông, công nghệ chưng cất và chiết xuất Dựa theo tài liệu của máy cô quay chânkhông BUCHI R300 tiến hành tính toán, thiết kế các thiết bị để cấu thành máy côquay Nêu quy trình sử dụng thiết bị và an toàn khi sử dụng Mô hình hóa 3D trên phầnmềm Autodesk Inventor

Cần Thơ, ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG v

CHƯƠNG I 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu sơ lược về máy cô quay 1

1.2 Tìm hiểu về công nghệ chưng cất và chiết xuất 1

1.3 Phân loại công nghệ chưng cất 3

1.5 Tính cấp thiết của đề tài 11

1.6 Giới thiệu đề tài 12

1.7 Yêu cầu thiết kế 12

CHƯƠNG II 14

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY CÔ QUAY 14

2.1 Tính toán và thiết kế bể gia nhiệt 14

2.2 Tính toán và thiết kế hệ thống lạnh 16

2.3 Tính toán và thiết kế chọn bơm chân không 25

2.4 Thiết kế bộ ngưng tụ dạng ống lò xo 27

2.5 Tính toán và thiết kế motor điện để quay bình cô quay 29

2.6 Thiết kế giá đỡ cho cụm chi tiết motor, bộ ngưng tụ, bình cô mẫu và bình hứng mẫu 32

2.7 Thiết kế hệ thống điện điều khiển 34

CHƯƠNG III 36

MÔ PHỎNG 3D MÁY CÔ QUAY 36

3.1 Giới thiệu phần mềm Inventor 36

3.2 Các bước mô phỏng 3D máy cô quay trên phần mềm Inventor 36

3.3 Kiểm tra và đánh giá kết quả thực tế 37

CHƯƠNG IV 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

4.1 Kết luận 40

4.2 Kiến nghị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ tháp chưng cất trong công nghiệp 4

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo tháp chưng – bốc hơi 5

Hình 1.3: Sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi 7

Hình 1.4: Sơ đồ tháp chưng có hai đường nguyên liệu vào 8

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo máy Cô – quay 10

Hình 2.1: Bộ điều khiển nhiệt độ bể gia nhiệt 16

Hình 2.2: Chu trình biểu diễn trên đồ thị logp-i 21

Hình 2.3: Sơ đồ chu trình lạnh một cấp 21

Hình 2.4: Bộ ngưng tụ dạng ống lò xo 28

Hình 2.5: Cụm giá đỡ cho motor, bộ ngưng tụ, bình cô mẫu và bình hứng mẫu 33

Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện tử điều tốc 35

Hình 3.1: Chi tiết ống thông hơi 37

Hình 3.2: Kiểm tra ứng suất uốn 37

Hình 3.4: Kiểm tra ứng suất kéo 38

Hình 3.5: Kiểm tra chuyển vị 38

Hình 3.6: Kiểm tra hệ số an toàn 38

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Áp suất tuyệt đối để đun sôi các chất ở nhiệt độ 50 o C 13

Bảng 2.1: Các thông số của chế độ làm việc hệ thống lạnh 20

Bảng 2.2: Bảng thông số chu trình lạnh 22

Bảng 2.3: Thông số bơm 27

Bảng 2.4: Bảng thông số dàn ngưng tụ dạng ống lò xo 29

Bảng 2.5: Bảng các thông số động cơ 29

Bảng 2.6: Bảng thông số ổ lăn 32

Bảng 2.7: Bảng kê các chi tiết cho cụm giá đỡ 33

Bảng 2.8: Thông số bình cô và bình hứng mẫu 34

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật ống thông hơi 37

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu sơ lược về máy cô quay

Thiết bị bay hơi dạng quay là một thiết bị được sử dụng trong các phòng thínghiệm hóa học để loại bỏ dung môi một cách hiệu quả và nhẹ nhàng khỏi các mẫubằng cách bay hơi

Bay hơi chân không giữ vai trò chủ đạo bởi vì trong một hệ kín, áp suất giảmdẫn tới làm giảm nhiệt độ sôi của các thành phần trong nó Các thành phần trong mẫudung dịch được cô quay bay hơi để loại bỏ dung môi mong muốn từ mẫu dịch chiết, nóđược ứng dụng trong quá trình tách chiết một hợp chất tự nhiên hay đơn giản chỉ trongmột bước của tổng hợp hợp chất hữu cơ Dung môi hòa tan có thể được loại bỏ nếunhiệt độ không vượt quá nhiệt độ cho phép Nhiệt độ cho phép phụ thuộc vào độ sôicủa hợp chất, chất tan và dung môi

Hiện nay có hai loại máy cô quay chính, một dòng máy loại nhỏ dùng cho cácphòng thí nghiệm có dung tích bình quay từ 0,5 (L) đến 4 (L) Một dòng máy dùng chocông nghiệp với dung tích bình quay có thể lên tới 100 (L)

Các nhà sản xuất máy cô quay lớn hiện nay có thể kể đến như:

thể dẫn đến sự phân tách hoàn toàn về cơ bản (các thành phần gần như tinh khiết),hoặc nó có thể là sự phân tách một phần làm tăng nồng độ của các thành phần đượcchọn trong hỗn hợp Trong cả hai trường hợp, quy trình khai thác sự khác biệt về độbay hơi tương đối của các thành phần của hỗn hợp Trong hóa học công nghiệp, chưngcất là một hoạt động đơn vị có tầm quan trọng thực tế phổ biến, nhưng nó là một quátrình phân tách vật lý, không phải là một phản ứng hóa học.

Các nguyên tắc của quá trình chưng cất Có hằng loạt phương pháp tách để táchmột hỗn hợp Tính đặc biệt của chưng cất là dùng năng lượng như là phương tiện trợgiúp để tách So với các phương tiện trợ giúp khác, ví dụ như là các chất hấp thụhay dung môi, năng lượng có một ưu thế lớn đó là có thể dễ dàng đưa vào và lấy rakhỏi một hệ thống Chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng thamgia Người ta cũng nói là các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ.Nếu đưa năng lượng vào hệ thống, vì có áp suất hơi khác nhau, chất có áp suất hơi caohơn (nhiệt độ sôi thấp hơn) bốc hơi nhiều hơn các chất khác Vì thế mà nồng độ củachất có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần cất cao hơn là ở trong hỗn hợp ban đầu

Phải phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần, như hay diễn ra trongphòng thí nghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi một hỗn hợp, và chưng cấtliên tục, thường diễn ra trong các cột chưng cất của một nhà máy hóa học

 Lặp lại bước tách hỗn hợp: nồng độ của chất cần phải tách có thể đượctiếp tục nâng cao bằng cách tiếp tục chưng cất lại phần cất Nhiệt độ sôikhác nhau càng lớn thì người ta cần càng ít lần chưng cất để đạt đến mộtnồng độ nhất định

 Chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp kinh điển dùng

để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt

độ sôi của các chất trong hỗn hợp

 Chưng cất lôi cuốn: phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên

sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơtrong tinh dầu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Sự khuếch tán sẽ

dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệu tiếp xúcvới hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định

 Rượu và các hỗn hợp đẳng phí: ứng dụng lâu đời nhất và đồng thời làđược biết đến nhiều nhất của chưng cất là sản xuất rượu mạnh Đặc biệt,một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục táchbằng phương pháp chưng cất được nữa Các hỗn hợp này được gọi làhỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến cácphương pháp tinh cất đặc biệt khác.

1.2.2 Công nghệ chiết xuất

Trong công nghệ hóa học chiết xuất được định nghĩa trong trích ly Trích ly làquá trình tách một hoặc một số chất tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng mốt chấtlỏng khác – gọi là dung môi Nếu quá trình tách chất hòa tan trong chất lỏng bằng chấtlỏng thì gọi là trích ly lỏng – lỏng Nếu quá trình tách chất hòa tan trong chất rắn bằngchất lỏng thì gọi là trích ly rắn – lỏng

Quá trình trích ly được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hóachất và thực phẩm Mục đích:

 Tách các cấu tử quý

 Thu được dung dịch có nồng độ đậm đặc (đối với trích ly lỏng - lỏng)

 Cững như chưng luyện nó là mốt trong những phương pháp chủ yếu đểphân tách hỗn hợp đồng nhất thành các cấu tử thành phần

Chất lượng và hiệu quả của một quá trình trích ly phụ thuốc chủ yếu vào dungmôi, nên yêu cầu chung của dung môi là:

 Có tính hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách, khônghoặc hòa tan rất ít các cấu tử khác

 Không độc, không ăn mòn thiết bị

lượng thì yêu cầu chung đối với dung môi là có nhiệt dung riêng bé hoặc kết tinh nếucấu tử cần tách ra có tính hòa tan hạn chế.

1.3 Phân loại công nghệ chưng cất

1.3.1 Mô hình chưng cất trong công nghiệp

Trong ngành công nghiệp người ta chưng cất hóa chất bằng mô hình tháp chưngcất hóa chất

Hình 1.1: Sơ đồ tháp chưng cất trong công nghiệp

Quá trình hoạt động của tháp có thể tóm tắt như sau: Nguyên liệu trước khi đưavào tháp được nâng tới nhiệt độ thích hợp nhờ hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt.Tại đĩa tiếp liệu các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ bay hơi và ngưng tụ ở các đĩa phíatrên tháp Phần các cấu tử nặng hơn, có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ chảy xuống phần trongcủa tháp (stripping section) Để phân tách các cấu tử nhẹ còn chứa trong phần nặng, ởđáy tháp thường lắp đặt một thiết bị gia nhiệt trực tiếp hay gián tiếp tùy thuộc vào ứngdụng cụ thể

Để điều khiển nhiệt độ của tháp, dọc theo thân tháp người ta bố trí các bơmtuần hoàn để lấy pha lỏng từ trong tháp ra để làm nguội khi cần thiết, nhằm mục đíchtách các phân đoạn nằm trong các khoảng nhiệt độ sôi phù hợp với điểm cắt thiết kế.Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ được hồi lưu một phần trở lại tháp nhằm điều chỉnhhoạt động của tháp phù hợp Các sản phẩm lấy ra từ một tháp này có thể tiếp tục đượcđưa sang tháp khác phân tách tiếp thành các phân đoạn nhỏ hơn hoặc tách triệt để cáctạp chất

Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần(chưng luyện) Khi tiến hành chưng hoặc chưng luyện cần phân biệt theo:

 p suất làm việc: chân không, áp suất thường, áp suất cao

 Số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ 2 cấu từ, hệ có 3 hoặc ít hơn 10 cấu

tử, hệ có nhiều hơn 10 cấu tử

 Phương thức làm việc liên tục hay gián đoạn

1.3.1.1 Tháp chưng – bốc hơi

Tháp chưng - bốc hơi làm việc như tháp chưng liên tục, dòng khí nguyên liệu

đã được làm lạnh sơ bộ tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhờ dòng khí đã được tách,được đưa vào phần giữa của tháp Trên đỉnh tháp được làm lạnh bằng chu trình làmlạnh ngoài, hỗn hợp khí được ngưng tụ hồi lưu trở về đĩa trên cùng của tháp chưng.Khí sản phẩm đã tách được dẫn theo đường II sau khi đã truyền lạnh cho khí nguyênliệu tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo tháp chưng – bốc hơi

là sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi Trong sơ đồ này sản phẩm đỉnh tháp được trộn với

dòng khí nguyên liệu, qua chu trình làm lạnh ngoài có độ âm cần thiết, hỗn hợp đưaqua thiết bị tách 2, phần khí sản phẩm đưa ra theo đường VI, còn phần lỏng được đưavào đĩa trên cùng của tháp ngưng tụ - bốc hơi Trong quá trình làm việc của thápchưng, việc tăng áp suất sẽ làm giảm không đáng kể năng lượng cho công đoạn làmlạnh, nhưng năng lượng tiêu tốn chung cho quá trình sẽ giảm đáng kể vì quá trìnhđược thực hiện ở nhiệt độ cao hơn Chỉ số hồi lưu tính toán trong khoảng 1,55 - 1,78.

Thông thường trong công nghiệp tháp chưng có 13 đến 17 đĩa lý thuyết Cácthông số của quá trình như sau: nhiệt độ đỉnh tháp (-23oC) – (-30oC), áp suất trong tháp2,5 - 3,5 (MPa)

Hình 1.3: Sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi

Sơ đồ tháp chưng - bốc hơi có ưu điểm là tận dụng được dòng sản phẩm ra đểlàm lạnh ngưng tụ nguyên liệu đầu, hiệu suất tách cao do có hồi lưu sản phẩm đỉnh.Còn sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi lại có ưu điểm là chỉ sử dụng một thiết bị làm lạnhvừa hồi lưu sản phẩm đỉnh, vừa ngưng tụ khí nguyên liệu đầu, thiết bị đơn giản hơn sovới tháp chưng - bốc hơi Để tận dụng được các ưu điểm của cả 2 sơ đồ này, người ta

đã nghiên cứu sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với 2 đường nguyên liệu vào tháp

1.3.1.3 Tháp chưng cất có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp

Hình 1.4: Sơ đồ tháp chưng có hai đường nguyên liệu vào

 III: Phân đoạn hydrocacbon nặng

 IV: DEG thu hồi

 V: DEG 98%

 VI: Chất tải nhiệt

Trên hình 1 là sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với hai đường đưa nguyên liệu vàotháp Sơ đồ này hợp lí hơn sơ đồ 1 đường nguyên liệu vào tháp về mặt động học, tiếtkiệm khoảng 10% năng lượng, và quá trình được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn

 Một dòng không làm lạnh đi vào phần giữa của tháp, chiếm 60% thể tíchdòng tổng

 Dòng thứ 2 chiếm 40% dòng tổng, được làm lạnh trong thiết bị trao đổinhiệt 1 bởi dòng khí đi ra từ đỉnh tháp 5, sau đó được trộn với sản phẩmđỉnh tháp trong thiết bị bay hơi propan 2 đến nhiệt độ -250 oC, một phần

bị ngưng tụ Hỗn hợp 2 pha từ từ thiết bị bay hơi propan được dẫn vàotháp tách 3, tại đây, khí được tách khỏi condensate Khí sau khi truyềnphần lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt 1 được đưa đi sử dụng Phần lỏngqua bơm 4 đi vào phần trên của tháp 5

Nhiệt độ tháp tách 3 được duy trì ở -27oC Sản phầm đỉnh tháp chưng 5 đượchỗn hợp với dòng khí nguyên liệu đã qua làm lạnh 1 Nhiệt độ cung cấp cho đáy tháp 5

do dòng chảy tuần hoàn qua thiết bị đun nóng 6 Nhiệt độ đáy tháp là 100oC Từ đáytháp nhận được phân đoạn hydrocacbon nặng

1.3.2 Thiết bị chưng cất dùng trong phòng thí nghiệm (Máy Cô – quay)

Máy cô quay chân không từ lâu đã là thiết bị cơ bản không thể thiếu trongphòng thí nghiệm và ngành công nghiệp phân tích hóa học bao gồm: phòng thí nghiệmhóa phân tích, môi trường, vật liệu, khoa học sự sống,… Máy cô quay còn được sửdụng trong lĩnh vực khoa học ẩm thực (molecular cooking) trong các bước sơ chế đểlàm chưng cất và tách chiết Đặc biệt, được dùng rất nhiều trong các phòng thí nghiệmhóa học của các cơ sở giáo dục để loại bỏ hiệu quả và dễ dàng dung môi khỏi mẫubằng cách bay hơi nhằm mục đích nghiên cứu

Trên thế giới, ở các nước tiên tiến họ đã chế tạo thành công máy cô quay từ rấtlâu, một hệ thống cô quay bay hơi đơn giản được phát minh bởi Lyman C.Craig, lầnđầu tiên nó được thương mại hóa bởi công ty Thụy Sĩ Buchi vào năm 1957 Trongnước ta, chỉ có những nhà cung cấp là đại lý của các hãng nước ngoài, chưa có mộtdoanh nghiệp ở nước ta chuyên sản xuất máy cô quay, vì thế nhu cầu thị trường rấtlớn Ngày nay việc phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc chế tạo máy hoàn toàn cóthể làm trong nước ta

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo máy Cô – quay.

 9: Đồng hồ báo nhiệt độ, áp suất

Nguyên tắc cơ bản hoạt động của hệ thống cô quay chân không đó là giảm nhiệt

độ bay hơi của chất lỏng ở áp suất chân không giúp loại bỏ dung môi nhanh chóng vàgiữ lại phần chất cần cô đặc Cụ thể như sau:

 Khi hệ thống được khởi động, bình chứa mẫu được gia nhiệt cách thủybởi bể gia nhiệt, dung dịch mẫu khi đó có nhiệt độ tăng đến mức cầnthiết và bơm hút chân không sẽ hút áp không khí bên trong khiến bìnhchứa mẫu giảm áp suất

 Khi áp suất trong mình chứa mẫu giảm sẽ làm giảm nhiệt độ sôi củadung môi và dung dịch dễ sôi hơn Để nhiệt độ được phân bổ đều vàtránh trường hợp bị tập trung cục bộ tại một vị trí thì trong quá trình bayhơi, bình dung dịch mẫu được quay tròn đều.

 Dung môi bay hơi gặp hệ thống sinh hàn có nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ lạithành thể lỏng và chảy xuống bình chứa dung môi thu hồi

Những lưu ý khi sử dụng máy cô quay chân không:

 Trong quá trình bay hơi, bình thủy tinh dùng cho cô quay có thể phát nổnếu ban đầu có những vết rạn nứt

 Với những tạp chất không ổn định như ete chứa peroxit, azides hữu cơ,acetylides, hợp chất nitro có chứa phân tử với năng lượng biến dạng,…

vụ nổ cũng có thể xảy ra

 Không để quần áo, tóc,… mắc vào các bộ phận quay của máy

 Với những vật liệu phản ứng không khí, cần thận trọng Chỉ cần một rò

rỉ nhỏ cũng có thể rút không khí vào bộ máy và vụ nổ sẽ xảy ra

 Hiện tượng dính chùm có thể xảy ra khiến một vài mẫu có thể bị mất đingoài ý muốn như ethanol với nước, một phần dung môi muốn giữ lạinhưng vẫn bị mất đi

Quy trình sử dụng máy cô quay chân không:

 Kiểm tra tổng thể hệ thống trước khi sử dụng bao gồm: Đường nướclạnh của ống sinh hàng, dung dịch trong bể gia nhiệt, các kết nối, chânkhông, bình thu hồi, đường điện,

 Sử dụng điều chỉnh nâng hệ thống đến vị trí phù hợp

 Lắp bình chứa dung dịch mẫu vào hệ thống

 Hạ bệ về vị trí sao cho bình ngập 1/3 thể tích của bể gia nhiệt

 Điều chỉnh đường nước làm mát qua sinh ống sinh hàn

 Bật hệ thống chân không, motor quay bình chứa mẫu và bể gia nhiệt

 Quan sát quá trình máy vận hành cho đến khi kết thúc

 Dừng hệ thống cô quay theo các bước ngược lại ban đầu

 Làm sạch máy, cất đúng nơi quy định

1.5 Tính cấp thiết của đề tài

Mô hình tháp chưng cất hiện nay được sử dụng rất phổ biến trong các nhà máyhóa chất do mô hình có thể thay đổi linh hoạt tùy vào quy mô của nhà máy, dễ dànggia công lắp đặt Tuy nhiên không thể ứng dụng vào phòng thí nghiệm để phục vụ cácnghiên cứu, thực tập và giảng dạy do cần nhiều không gian để lắp đặt cũng như thiết bịcồng kềnh Chỉ thiết kế riêng dùng để tách một chất cụ thể nhất định không thể thayđổi linh hoạt Mô hình máy Cô – quay thì lại đáp ứng được những nhược điểm trên, rấtphù hợp cho phòng thí nghiệm

Ngày nay nhu cầu sử dụng tại Việt Nam trong các phòng thí nghiệm các cơ sởgiáo dục và cơ sở nghiên cứu của các viện về các lĩnh vực công nghệ thực phẩm, dượcphẩm, mỹ phẩm, nghiên cứu khoa học và thực nghiệm khá cao Nhưng giá thành từcác nhà phân phối sản phẩm nhập khẩu trực tiếp từ nước ngoài khá cao (khoảng50.000.000 – 180.000.000 VNĐ tùy thuộc nhà sản xuất và công suất của máy), do vậyviệc đầu tư thiết bị để đáp ứng đủ nhu cầu sinh viên và nghiên cứu sinh là hạn chế Vìthế, việc tính toán, thiết kế nhằm mục đích giảm giá thành (giảm 2 đến 3 lần giá thànhtrên thị trường) và phù hợp với điều kiện môi trường và khí hậu của nước ta, từ đó tạođiều kiện cho các cơ sở có thể trang bị đủ “Máy cô quay” cho sinh viên và nghiên cứusinh

1.6 Giới thiệu đề tài

Đề tài nghiên cứu, tính toán máy cô quay chân không với công suất đủ dùngcho phòng thí nghiệm Giới thiệu về các ứng dụng của thiết bị Giới thiệu sơ lượt vềcông nghệ chưng cất và chiết xuất, các lý thuyết về công nghệ gia nhiệt và công nghệlàm lạnh

 Hệ thống làm lạnh: nghiên cứu, tính toán lưu lượng của chất tải lạnh,công suất máy nén, năng suất làm lạnh nước cho giàn sinh hàn

 Hệ thống gia nhiệt: nghiên cứu, tính toán nhiệt độ, phương pháp giữnhiệt, hệ thống điều khiển nhiệt độ yêu cầu

 Máy hút chân không: nghiên cứu, tính toán công suất của bơm, hệ thốngđiều khiển áp suất để đạt được yêu cầu

 Giàn sinh hàn: nghiên cứu, tính toán ngưng tụ bằng ống lồng lò xo theophương pháp trao đổi nhiệt

 Động cơ quay chính: công suất động cơ, số vòng quay tối đa

1.7 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế máy cô quay chân không phù hợp với phòng thí nghiệm, đáp ứng đượccác yêu cầu của người sử dụng Thiết kế đơn giản, dễ dàng lắp đặt, vận hành, bảo trì vàsửa chữa nếu cần thiết

 Yêu cầu về độ chân không máy dựa theo bảng 1.1 độ chân không củamáy phải đáp ứng được áp suất tuyệt đối thấp nhất để đun sôi các chất

Độ chân không tuyệt đối cần thiết Pct = 5 (mbar)

Bảng 1.1: Áp suất tuyệt đối để đun sôi các chất ở nhiệt độ 50 o C.

Tên chất Công thức hóa học Áp suất (mbar)

 Nhiệt độ bể gia nhiệt ở 50 ( C )vì những hóa chất cần sôi ở nhiệt độ này

để không mất đi một số tính chất đặc trưng, hoặc khi tách hỗn hợp ra ta

có thể lấy chất cần thiết mà nó không bị biến chất Thời gian yêu cầu gianhiệt trong 4 phút để có thể sử dụng Chênh lệch nhiệt độ khi sử dụng1

 0C

 Công suất làm lạnh 300 (W) tại nhiệt độ nước là 10 ( C ) và cố định tạinhiệt độ này

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY CÔ QUAY

2.1 Tính toán và thiết kế bể gia nhiệt

Hình 2.1: Cấu tạo bể gia nhiệt Bảng 2.1: Thông số bể gia nhiệt

Yêu cầu về thông số cần thiết cho bể gia nhiệt

 Nhiệt độ yêu cầu : 50°C

 Thể tích bể chứa: 5 (lít), mực nước 3 (lít), m = 2,991 (kg)

 Bể chứa làm bằng Nhôm

 Áp suất khí trời: 1 (atm)

Ta đun nước từ nhiệt độ phòng t = (25 + 273,15) (K) đến nhiệt độ yêu cầu là1 2

t = (50 + 273,15) (K) do đó t = 25 (K), để đạt được nhiệt độ yêu cầu ta cần nhiệtlượng Q được tính theo định luật Joule-Lenz có công thức:

1

Q m.c t1

Q 2,991.4200.251

Q 1,306.880.252

 Thể tích bể chứa chiều dài 307 (mm) chiều rộng 275 (mm), chiều cao

202 (mm) có được thể tích V ≈ 5 (lít) Bể chứa được bọc xung quanhbằng bạc cách nhiệt hai lớp Do đó nhiệt bị mất đi là qua bề mặt thoáng(bao gồm phần tiếp xúc với bình quay và phần bên ngoài), khi nhiệt độcung cấp đủ cho bình quay sôi thì phần nhiệt bị mất đi sau đó là nhưnhau do bề mặt thoáng trao đổi với môi trường

 Nhiệt lượng Q tỏa ra trong một giây cũng chính là công suất P của điệntrở, khi sử dụng đúng hiệu điện thế định mức 220V Vậy công suất cầnthiết để cung cấp nhiệt cho bể theo định luật bảo toàn năng lượng là:

 Vậy điện trở cần thiết là khoảng 1500 (W) để đáp ứng yêu cầu gia nhiệt

Có thể dùng dây mai so hoặc mâm nhiệt với công suất tương ứng

Nhiệt lượng tổn thất qua bề mặt thoáng:

  : nhiệt độ chênh lệch giữa nước và không khí, t 25t   (K)

Năng lượng tổn thất qua bề mặt thoáng tính theo đơn vị Joule trên giây là 32(J/s) Vậy trong 1 giây thì năng lượng tổn thất là 32 (J) Để đảm bảo yêu cầu kỉ thuậtthiết kế là chênh lệch nhiệt độ 1 C  Theo như công thức tính nhiệt lượng cần thiết đểnung nóng nước lên 50 ( C ) được tính ở phần đầu, thì ta có thể tính được nhiệt lượngcần thiết để nung nóng nước 49 ( C ) là 329076 (J), vậy chệnh lệch nhiệt lượng là

Hình 2.2: Bộ điều khiển nhiệt độ bể gia nhiệt 2.2 Tính toán và thiết kế hệ thống lạnh

2.2.1 Giới thiệu về yêu cầu của hệ thống lạnh

Máy cô quay chân không dùng sinh hàn xoắn để chuyển hơi từ bình quay thànhchất lỏng được hứng tại bình hứng Để có thể hóa hơi thành lỏng, nhiệt độ nước trongsinh hàn xoắn là 10 (o C) Để đáp ứng nhu cầu đó ta thiết kế hệ thống lạnh dùng máynén 1 cấp, nhiệt độ dàn bay hơi khoảng 0 (o C)

Năng suất lạnh (nhiệt lượng trao đổi) của thiết bị được tính theo biểu thức:

0

Q k.F t0

Q 939,5.0,013.250

Q 0,3(kW)Trong đó:

 Q : Năng suất lạnh của thiết bị (W).0

 k: Hệ số truyền nhiệt (W / m K ).2

 F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, F = 0,013 (m ).2

  : Hiệu nhiệt độ trung bình logarit, tt  = 25 (K)

Hệ số truyền nhiệt k xác định theo biểu thức:

 1: Hệ số tỏa nhiệt môi chất lạnh ( 2

  v, v: Chiều dày vách ngăn là 0,51.10 3

(m); Hệ số dẫn nhiệt nhiệt củaống đồng 380 (W / mK)

Những tính chất của R134a

 Công thức hóa học: CH F CF2  3

 Tên gọi: Tetrafloetan

 Tính chất về nhiệt động:

+ Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển thấp: p = 1,013 (bar); t = -26,2 (oC ).+ Ở nhiệt độ môi trường áp suất ngưng tụ vừa phải: t = 40 (oC ); p =10,1761 (bar)

+ Nhiệt độ tới hạn tương đối cao: t = 101,15 (th o

C ); p = 40,46 (bar).th+ Nhiệt độ đông đặc điểm 3 pha thấp

+ Nhiệt ẩn hóa hơi tương đối lớn, ví dụ r = 269,2 (kJ/kg) tại -15 (oC ).+ Nhiệt dung riêng đẳng áp vừa phải

+ Độ nhớt rất nhỏ, nhỏ hơn không khí nên R134a có thể rò rỉ qua các khe

hở mà không khí không đi qua được, độ nhớt R134a lớn hơn nitơ mộtchút nên thử kín phải dùng nitơ khô

 Tính chất về hóa học:

+ Không gây cháy

+ Không gây nổ; tuy nhiên ở nhiệt độ cao R134a phân hủy thành chấtcực kỳ độc hại như HF (độc hại bảng 1) Do đó nghiêm cấm các vật cónhiệt độ bề mặt cao trong phòng máy

+ Dầu bôi trơn chuyên dụng; khối lượng riêng  của dầu nhỏ hơn khốilượng riêng của lỏng R134a (Ví dụ tại -15 (oC ) lỏng R134a có khốilượng riêng là 1428,57 (kg / m )), độ hòa tan dầu bôi trơn phụ thuộc3vào loại dầu, thường dùng dầu polyolester POE, polyalkylenglycol PAGhoặc polygycol PG để có thể hòa tan dầu

+ Không ăn mòn kim loại; R134a là môi chất bền vững về mặt hóa học.+ Không hòa tan được nước; do đó có thể tách nước ra khỏi R134a bằngcác chất hút ẩm thông dụng

+ Khi rò rỉ khó phát hiện: R134a không màu, không mùi, không vị

+ Khi rò rỉ không làm hỏng các sản phẩm cần bảo quản lạnh

2.2.3 Chọn các thông số của chế độ làm việc

Chế độ làm việc của một hệ thống lạnh đặc trưng bằng 4 nhiệt độ sau:

 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t 0

 Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất t k

 Nhiệt độ quá lạnh của lỏng trước van tiết lưu t ql

 Nhiệt độ hơi hút về máy nén (nhiệt độ quá nhiệt) t qn

2.2.3.1 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh:

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh phụ thuộc nhiệt độ buồng lạnh Có thể lấy nhưsau:

0 b 0

t   t tTrong đó:

 t : là nhiệt độ cần sử dụng b t = 10 (b o

C )

  : hiệu nhiệt độ yêu cầut0

Hiệu nhiệt độ được coi là tối ưu  = 8t0 13 (o

C ), nên có thể chọn0

để bảo vệ máy nén tránh không hút phải lỏng Tùy từng loại môi chất và máy nén mà

có nhiệt độ quá nhiệt khác nhau

Đối với máy lạnh freôn, do nhiệt độ cuối tầm nén thấp nên độ quá nhiệt hơi hút

có thể chọn cao Với môi chất freôn độ quá nhiệt khoảng 20 25 (o

C )

Chọn tqn= 20 (o

C )

Nên tqn  t0 20= 0 + 20 = 20 (o

C )

2.2.3.4 Nhiệt độ quá lạnh

Nhiệt độ quá lạnh là nhiệt độ môi chất lỏng trước khi đi vào van tiết lưu Nhiệt

độ quá lạnh càng thấp thì năng suất lạnh càng cao

Do sự quá lạnh lỏng được thực hiện trong thiết bị hồi nhiệt, nên nhiệt thải racủa môi chất lỏng cũng là nhiệt lượng mà hơi môi chất sau khi bay hơi nhận vào

Từ nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ quá nhiệt

Tra đồ thị logp-i của môi chất R134a ta được:

0

t = 0 (o

C ) i = 404 (kJ/kg)1 qn

t = 20 (o

C ) i = 421 (kJ/kg)1'Vậy    = 17 (kJ/kg)i1 i1' i1Với nhiệt độ ngưng tụ là t = 40 (k o

C ), tra đồ thị logp-i của môi chất R134a tađược i = 256 (kJ/kg)3

Gọi i là entanpi của điểm quá lạnh.'3

Thì i1'    = 17 (kJ/kg)i1 i'3 i3

'

3 3 1

i    = 256 i i 17 = 239 (kJ/kg)Với i'3  239 (kJ/kg) tra đồ thị logp-i của R134a ta được t = 28 (ql o

C )Các thông số của hệ thống được trình bày ở bảng sau:

Bảng 2.2: Các thông số của chế độ làm việc hệ thống lạnh.

Nhiệt độ sôi của

t = 40 (o

C )  p = 10,1 (MPa)k qn

t 20 (o

C )