(TIỂU LUẬN) cơ sở TÍNH TOÁN THIẾT kế THIẾT bị hóa học CHỦ đề 3 THIẾT lập QUY TRÌNH THIẾT kế hệ THỐNG cô đặc CHÂN KHÔNG 3 nồi LIÊN tục

NHIỆM VỤThiết kế cơ khí cho thiết bị cô đặc chân không 3 nồi xuôi chiều liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Năng suất nhập liệu 5000 kg/h Gia nhiệt Hơi nước bão hòa có áp suất dư p e = 3a

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA HỌC

CHỦ ĐỀ 3

THIẾT LẬP QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG

CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG 3 NỒI LIÊN TỤC

GVHD: ThS HOÀNG TRUNG NGÔNNHÓM THỰC HIỆN: 4

Trang 2

THÀNH VIÊN

1910649

191179 9

1912193

1910684

1915891

Trang 3

2/9 7

Trang 5

I TỔNG QUAN1.1 NHIỆM VỤ

Thiết kế cơ khí cho thiết bị cô đặc chân không 3 nồi xuôi chiều

liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Năng suất nhập liệu

5000 kg/h

Gia nhiệt

Hơi nước bão hòa có

áp suất dư p e = 3at

Trang 6

TỔNG QUAN 1.2 NGUYÊN LIỆU

Có thể thủy phân ester, peptite

Phản ứng với muối, các hợp chất lưỡng tính, các kim loại đặc biệt

5/97

Trang 7

TỔNG QUAN 1.3 ỨNG DỤNG

Trang 8

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC

2.1 ĐỊNH NGHĨA

Cô đặc

Là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch có chứa chất

tan không bay hơi.

Mục đích của quá trình cô đặc

Làm tăng nồng độ chất tan Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh) Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

7/97

Trang 9

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 2.3 BẢN CHẤT

Quá trình cô đặc là sự chuyển thể của phần dung môi

từ thể lỏng sang thể hơi

Trong quá trình cô đặc

Dung môi được tách bớt khỏi dung dịch Chất tan trong dung dịch không bay hơi Nồng độ của chất tan trong dung dịch sẽ tăng dần

8/97

Trang 10

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 2.3 PHÂN LOẠI

Cô đặc gián đoạn Cô đặc chân không

Cô đặc liên tục Cô đặc áp suất dương

Cô đặc áp suất khí quyển

Cô đặc một nồi Xuôi chiều

Cô đặc nhiều nồi Ngược chiều

Song song

9/97

Trang 11

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 2.4 CÁC THIẾT BỊ VÀ CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC

Thiết bị chính

Ống nhập liệu, ống tháo liệu Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt Buồng bốt, buồng bốc, đáy, nắp Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

Các van

10/97

Trang 12

V 1, T s2

P ht1

Nhập liệu F

T 1

T 2

L

2, T 2

Nước ngưng

V 3, T s4

P ht3

T3

Dòng sản phẩm

L, T3Nước ngưng

11/97

Trang 13

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.1 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT TỔNG QUÁT MỖI NỒI

Hệ số truyền nhiệt tổng quát của hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaOH * :

ΣU = 4070 J/mU = 4070 J/m 2 -s-KChọn các giá trị hệ số truyền nhiệt tổng quát cho hệ 3 nồi như sau:

Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi trong hệ thống cô đặc 3 nồi

trong đó, số % là giá trị của HSTN của nồi thứ i so với nồi đầu của hệ nhiều nồi

* Phạm Văn Bôn & Vũ Đình Thọ, Quá trình và Thiết bi truyền nhiệt - Tập 1, tr 295 12/97

Trang 14

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT TỔNG QUÁT

Lưu lượng các dòng trong hệ thống cô đặc

13/97

Trang 15

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.3 SỰ PHÂN BỐ HƠI THỨ TRONG CÁC

NỒI Sự phân phối V i :

Trang 17

15/97

Trang 18

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.5 TÍNH CHẤT CỦA HƠI NƯỚC

Nhiệt hóa hơi

λ = 2132 H 3 = 2672.7 (kJ/kg)

Ảnh hưởng của chất tan không bay hơi Một số tính chất của hơi nước lên áp suất hơi bão hòa

Tra nhiệt độ sôi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi theo giản đồ Dühring

Trang 19

16/97

Trang 20

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.5 TÍNH CHẤT CỦA HƠI NƯỚC

Giản đồ Dühring xác định nhiệt độ sôi của dung dịch NaOH theo nồng độ*

* Christie J Geankoplis, Transport Processes and Unit Operations – 3 rd edition, 1993, p.500 17/97

Trang 21

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.6 BỐ TRÍ GIA NHIỆT NỒI CÔ ĐẶC

Giả thiết

Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi thứ nồi trước và hơi đốt nồi sau:

Trang 22

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.7 CÂN BẰNG NHIỆT

Trang 23

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.7 CÂN BẰNG NHIỆT

Trang 24

Sự phân bố nhiệt độ TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC

Trang 26

2735.7 2712.4 TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC

Nồi 3

24.034 116.1

93 23.1 925 2707 2674.9

22/97

Trang 27

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.9 LƯỢNG HƠI ĐỐT CẦN CUNG CẤP CHO THIẾT BỊ

Cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi

Trang 28

TÍNH TOÁN CÔ ĐẶC 3.10 TÍNH TOÁN DIỆN TÍCH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT

Diện tích bề mặt truyền nhiệt của nồi thứ nhất

Trang 30

25/ 97

Trang 31

IV TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ

4.1 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

Tính toán: n = 92.56 ống

Quy chuẩn số ống trong mỗi buồng đốt thành 93 ống.

* Chọn ống truyền nhiệt loại 38x2 (đường kính ngoài là 38mm, chiều dày là 2mm) 26/97

Trang 32

IV TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ

4.1 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

4.1.1 BUỒNG ĐỐT

Kiểm tra tính bền cho ống (chịu áp suất ngoài), áp suất làm việc P M = 4at:

* Chọn ống truyền nhiệt loại 38x2 (đường kính ngoài là 38mm, chiều dày là 2mm)

Kiểm tra

Không Đạt

Trang 33

Chọn loại ống khác

27/97

Trang 34

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ 4.1 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

Trang 35

Hình _: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên việc

lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị

29/97

Trang 36

Tính toán thân buồng đốt theo tiêu chuẩn

ASME Chọn thông số

Bán kính trong của thân: Ri = 350 mm = 13.78 inches

Áp suất tính toán, TB chịu áp suất trong: PT = PM – Pa = 3 atm = 44.0878 psi

Ứng suất cho phép tối đa tại 291.38oF: S = 20 ksi = 20000 psi.*

* ASME section IID-C 2015, Carbon Steel – SA516, dòng 37, tr 20 30/97

Trang 37

Trang 38

Tính toán thân buồng đốt theo tiêu chuẩn ASME

Tính toán

Kiểm tra thiết bị chịu áp suất trong: P = 44.0878 < 0.35 x S x E = 7000 psi

Thiết bị chịu áp suất trong thông thường

Tính toán bề dày theo ứng suất:

Tính toán bề dày thực: t m = 0.0304 inches = 0.7721 mm

Chọn thép làm việc được cung cấp ở thị trường có bề dày 2mm → t = 2mm.

32/97

Trang 39

Tính toán thân buồng đốt theo tiêu chuẩn

ASME Kiểm tra

Trang 40

34/97

Trang 41

Trang 42

Trang 43

Trang 44

4.1.2 BUỒNG BỐC

Để dễ cho quá trình chế tạo và tính toán và an toàn, thông thường người ta sẽ chọn nồi

có lượng hơi đốt, áp suất làm việc lớn nhất để tính toán luôn cho cả ba nồi.

V i max là lượng hơi thứ bốc lên lớn nhất trong 3 nồi, (kg/h) V i max = V 1 = 1483.5 kg/

h là KLR hơi thứ (quá nhiệt ) của nồi 1 ở 247.45 kPa, 132.6 o C = 1.3568 kg/m 3 **

U tt là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi, m 3 /m 3 -h

Utt = f.Utt(1 at) = 0.7x1600 = 1120 m3/m3-h với f là HSHC, f = 0.7

*** Thể tích buồng bốc là 1.0195 m 3

* ,*** Nguyễn Bin (2006), Sổ tay Quá trình thiết bị và công nghệ hoá học tập 2, NXB KHKT, trang 71.

** https://www.spiraxsarco.com/resources-and-design-tools/steam-tables/superheated-steam-region 38/97

Trang 46

Trang 47

Lựa chọn vật liệu: Thép hợp kim 316 (SS316)

Chọn chiều dài cho thân bằng với chiều cao thân: L = H = 1.5m = 59.0551 inches 40/97

Trang 48

Tính toán bề dày buồng bốc theo tiêu chuẩn ASME

Chọn thông số Module Young E = 28.3431x10 6 psi

41/97

Trang 49

Tính toán thân buồng đốt theo tiêu chuẩn ASME

Tính toán bề dày tối thiểu

Giả sử bề dày tối thiểu là t min = 0.16 inches = 4 mm

Đường kính ngoài buồng bốc: D n = D tr + 2t min = 39.37 + 2.0.16 = 39.79 inches

Tính áp suất cho phép P theo P = Lập tỉ số Do/tmin và L/tmin Tra A trên đồ thị

Trang 50

42/97

Trang 51

Trang 52

Tính bề dày buồng đốt theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN)

Chọn thông số

Áp suất tính toán với TB làm việc ở áp suất

chân không: P T = 1 atm = 0,101325 N/mm 2

Nhiệt độ làm việc khi có bọc cách nhiệt:

T T = T M + 20 = 164.1 o C

Lựa chọn vật liệu: Thép hợp kim 316 (SS316)

Module đàn hồi của vật liệu:

Trang 53

Tính bề dày tối thiểu

Trang 54

Trang 55

Kiểm tra áp suất làm việc

[ ]=.′ × ( − ).≥

[Pn] = 0.1476 N/mm2 > 0.101325 N/mm2

Đạt

47/97

Trang 56

4.1.3 ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ

Tính nắp thiết bị theo tiêu chuẩn ASME

Chọn loại nắp hình elip Loại vật liệu : thép SS316 (USN No: S31600) Phần nắp chịu áp suất ngoài bằng áp suất khí quyển

48/97

Trang 57

Bước 1: Tính bề dày tối thiểu của nắp

Cách 1: Chọn bề dày tối thiểu t của nắp bằng với bề dày tối thiểu của thân Cách 2: Tính theo công thức

t =

PD

2SE−0,2P

49/97

Trang 58

Trang 60

Tính nắp thiết bị theo tiêu chuẩn

ASME Bước 3: Tính tỷ số B

Vật liệu: thép 304 tại nhiệt độ làm việc 291,38F

Nếu A nằm ngoài giản đồ về phía bên phải

Tra B theo giá trị cuối cùng của A trên giản đồ

Kiểm tra áp suất cho phép theo công thức

(a) (Bước 4)

Nếu A nằm ngoài giản đồ về phía bên trái

Kiểm tra áp suất cho phép theo công thức

(b) (Bước 4)

51/97

Trang 61

Bước 4: Kiểm tra áp suất cho phép

Khi P a < P cần tăng bề dày rồi tính toán lại theo các bước trên đến khi P a > P

Theo bài toán trên: cần chọn lại bề dày tối thiểu: t = 0.16 inch

52/97

Trang 62

Tính nắp thiết bị theo Hồ Lê Viên

Chọn bề dày tối thiểu S của nắp bằng với bề dày tối thiểu của thân

S = 0,16 inch = 4 mm

53/97

Trang 63

Trang 64

Tính nắp thiết bị theo Hồ Lê Viên

Bước 3: Tính áp suất cho phép

2[ p n ]=0,09 E t (S

K − R C t a ) = 0,179 N / m2

với K = 0,935

[p n ] > P = 0,0981 N/mm 2 Chọn bề dày nắp là 4mm

55/97

Trang 65

Tính đáy thiết bị theo tiêu chuẩn ASME

Chọn loại đáy hình nón có đoạn uốn mép Loại vật liệu: thép SS316 (USN No: S31600) Đáy chịu áp suất ngoài (bề lồi)

56/97

Trang 66

Bước 1: Chọn các thông số cho nắp

Đường kính nắp cong

D i= 2 H tanα

Đường kính trong, D (inch) 39,37

Áp suất trong, P (psi) 35,89 Góc ở đỉnh, 2α (độ) 60 Chiều cao nắp (không tính đoạn cong), H

34 (inch)

Ứng suất tối đa cho phép, S (psi) 15000

Trang 67

Hệ số bền mối hàn, E 0,9

57/97

Trang 68

Trang 69

58/97

Trang 70

Tính đáy thiết bị theo tiêu chuẩn

ASME Bước 4: Kiểm tra điều kiện

r 6%D 0 với D 0 = D + 2t là đường kính ngoài của đáy

r 3t

Cả 2 điều kiện đều đạt bề dày đáy tối thiểu là 0.0586 inch.

59/97

Trang 71

Tính đáy thiết bị theo Hồ Lê Viên

Bước 1: Xác định lực tính toán nén đáy

60/97

Trang 72

Bước 2: Tính lực nén chiều trục cho phép

Trang 73

Bước 3: Tính áp suất cho phép

Chọn chiều cao đáy nón là L = 965 mm (tương đương khi tính theo ASME) Chọn bán kính đoạn cong là r = 120 mm

Trang 74

¿ 0.143 N / mm2

Trang 75

Bước 4: Kiểm tra điều kiện ổn định

Trang 76

t T2 là nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía KK, ~ 40 - 50 0 C

t T1 là nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt TB, gần bằng nhiệt độ hơi ứng với mỗi

buồng t KK là nhiệt độ KK, t KK = 25 0C

λ c là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt,W/m-K

64/97

Trang 77

4.1.4 VỎ CÁCH NHIỆT

Hệ số cấp nhiệt

α n= 9.3+0.058 ×50=12.2 W / m2 K

Tính bề dày lớp cách nhiệt cho nồi làm việc với nhiệt độ cao nhất (nồi 1),

còn lớp cách nhiệt của nồi sau lấy như nồi 1

65/97

Trang 78

Bề dày lớp cách nhiệt của thân buồng đốt và buồng bốc đều xấp xỉ 0.01 m Các nồi còn lại

do làm việc với nhiệt độ thấp hơn nên có thể sử dụng vỏ có bề dày này để cách nhiệt.

66/97

Trang 79

• l : cánh tay đòn của moment gây uốn bích

Trang 80

• t : bề dày bích (mm)

Trang 81

4.1.5 MẶT BÍCH

a) Cho buồng đốt

Bước 1: Tính các thông số cơ bản

Chọn sơ bộ các kích thước: theo sổ tay QTTB tập 2/trang 417

Chọn bulong M20 đường kính bulong d b = 20mm.

Trang 82

5.1.5 MẶT BÍCH

a) Cho buồng đốt

Tính cánh tay đòn của moment gây uốn bích:

Trang 83

69/97

Trang 84

Trang 85

70/97

Trang 86

Áp dụng công thức trên, ta được T 2 = 30.121 mm

Sổ tay tra cứu QTTB – NXB Khoa học kỹ thuật số

[σ] b Ứng suất cho phép của 84,667 N/mm 2 tra ở bảng 7-7 ở nhiệt độ làm việc (144,1 o C)

vật liệu làm bulong Ứng suất cho phép của

106,236 N/mm 2 tra ở bảng 7-3 ở nhiệt độ làm việc (144,1 o C)

Trang 87

vật liệu bích

71/97

Trang 88

Trang 89

72/97

Trang 90

• s : bề dày thân thiết bị ở chỗ nối với bích (mm)

• l : cánh tay đòn của moment gây uốn bích

• t : bề dày bích (mm)

73/97

Trang 91

4.1.5 MẶT BÍCH

b) Cho buồng bốc

Chọn sơ bộ các kích thước: theo sổ tay QTTB tập 2/trang 417

Chọn bulong M20 đường kính bulong d b = 20mm.

Số bulong Z=16 bulong Chọn mặt bích phẳng không cổ, vật liệu là thép 316 làm mặt bích 74/97

Trang 92

4.1.5 MẶT BÍCH

b) Cho buồng bốc

Tính cánh tay đòn của moment gây uốn bích:

Trang 93

75/97

Trang 94

Trang 95

76/97

Trang 96

Áp dụng công thức trên, ta được t 2 = 24.360 mm

Sổ tay tra cứu QTTB – NXB Khoa học kỹ thuật

[σ] b Ứng suất cho phép của 84,667 N/mm 2 tra ở bảng 7-7 ở nhiệt độ làm việc (144,1 o C)

vật liệu làm bulong

Ứng suất cho phép của

106,236 N/mm 2 tra ở bảng 7-3 ở nhiệt độ làm việc (144,1 o C) vật liệu bích

Trang 97

77/97

Trang 98

Trang 99

78/97

Trang 100

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ 4.2 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ PHỤ

4.2.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMETER

Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ

79/97

Trang 101

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ 4.2 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ PHỤ

5.2.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMETER

Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị

W Lượng hơi ngưng đi vào TBNT 1265,2 kg/h

G n Lượng nước lạnh cấp cho TBNT 24873,49 KJ/kg

Tính toán: G kk = 13,31 kg/h V kk = 10,64 m3/h

80/97

Tiêu đề	THIẾT LẬP QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG 3 NỒI LIÊN TỤC
Tác giả	Đinh Trung Hiếu, Nguyễn Minh Trúc, Huỳnh Thị Tường Vy, Nguyễn Hoàng Huy, Trần Thị Thủy Tiên, Nguyễn Phan Minh Đăng, Nguyễn Hoàng Uyên, Phạm Quốc Việt, Phạm Thị Tường Vân, Lê Thị Cẩm Nhung
Người hướng dẫn	ThS. HOÀNG TRUNG NGÔN
Trường học	ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Chuyên ngành	KỸ THUẬT HÓA HỌC
Thể loại	TIỂU LUẬN
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	111
Dung lượng	2,53 MB