Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vôcơ… Hiện nay, phần
Tổng quan
Giới thiệu chung về nguyên liệu CaCl2
Canxi clorua (CaCl2) là hợp chất ion canxi không màu, không mùi, an toàn và không độc hại, được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau và các ứng dụng toàn cầu.
Canxi clorua (CaCl2) dạng lỏng là một giải pháp hút ẩm cao, hòa tan phổ biến trong các ứng dụng xây dựng và bảo trì đường bộ Khả năng của nó hấp thụ độ ẩm từ môi trường, chống lại sự bốc hơi và giải phóng nhiệt trong quá trình phản ứng hóa học, giúp duy trì độ ẩm cần thiết cho các hoạt động xây dựng Do đặc điểm này, calcium chloride được sử dụng để xử lý băng tuyết, kiểm soát bụi, tạo ổn định bề mặt đường và nâng cao độ bền của mặt đường.
•Cơ sở ổn định cho xây dựng đường
•Freeze-hiê ̣u đinh cát để áp dụng đường mùa đông
•Nước thải tinh chế viện trợ, flocculent, bãi bỏ các phốt phát và fluorides
• Bơm vữa đại lý cho các mỏ và giếng dầu
• Môi trường phụ gia cho xi măng lò nung
• Nitơ ức chế cho các nhà máy phân bón
•Muối thay thế trong thức ăn động vật (như là một bổ sung cho thiếu hụt canxi)
• Phân bón hữu cơ canxi
•Điều chỉnh độ pH đất
•Chất chống đông cho xe vui chơi giải trí, quăn & rinks trượt băng và nhiều hơn nữa
Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm
Quá trình cô đặc dung dịch lỏng – rắn hoặc lỏng – lỏng thường được thực hiện bằng cách tách phần dung môi dễ bay hơi hơn, nhờ chênh lệch nhiệt độ sôi lớn giữa các thành phần Đây là các phương pháp vật lý – hoá lý dựa trên tính chất của cấu tử khó bay hơi hoặc không bay hơi trong quá trình cô đặc Tùy vào tính chất của cấu tử, quá trình tách có thể diễn ra bằng cách sử dụng nhiệt độ (đun nóng) hoặc làm lạnh để kết tinh và tách dung môi dễ bay hơi ra khỏi dung dịch chính.
Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng) là quá trình chuyển đổi của dung môi từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt độ Quá trình này xảy ra khi áp suất riêng phần của dung môi bằng với áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Đây là nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiệt trong các quá trình công nghiệp và phân tích hóa học.
Phương pháp lạnh là kỹ thuật hạ thấp nhiệt độ đến mức nhất định để tách ra các cấu tử dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường bằng cách kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Quá trình kết tinh diễn ra phụ thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất tác dụng lên mặt thoáng, có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp Đôi khi, để kiểm soát quá trình kết tinh hiệu quả, người ta cần sử dụng máy lạnh nhằm điều chỉnh nhiệt độ phù hợp.
Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Để hình thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng phải vượt quá tốc độ giới hạn Quá trình bay hơi diễn ra khi các phân tử thu nhiệt để phá vỡ lực liên kết trong trạng thái lỏng và vượt qua lực cản bên ngoài Vì vậy, cần cung cấp nhiệt đủ để các phân tử có năng lượng cần thiết thực hiện quá trình bay hơi một cách hiệu quả.
Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu xảy ra do các bọt khí hình thành từ quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, khi các phần tử ở trên mặt và dưới đáy có sự chênh lệch về khối lượng riêng tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi Việc tách không khí và lắng keo (protid) đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự hình thành bọt khí, giúp quá trình cô đặc diễn ra dễ dàng và hiệu quả hơn.
Ứng dụng của sự cô đặc
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, việc cô đặc các dung dịch như đường, mì chính và nước trái cây giúp nâng cao hiệu quả bảo quản và tăng cường hương vị tự nhiên Đồng thời, trong lĩnh vực hóa chất, quá trình cô đặc các dung dịch như NaOH, NaCl, CaCl2 và các muối vô cơ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, đảm bảo chất lượng và tối ưu hóa quá trình chế biến.
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một giải pháp hiệu quả để đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù quá trình cô đặc là hoạt động gián tiếp, nhưng nó vô cùng quan trọng và liên quan mật thiết đến hoạt động của nhà máy Để phù hợp với sự phát triển của các nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc ngày càng trở thành yêu cầu bắt buộc, đòi hỏi sử dụng các thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.
Phân loại và ứng dụng
Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) là loại dung dịch có độ loãng và độ nhớt thấp, giúp quá trình tuần hoàn qua bề mặt truyền nhiệt diễn ra dễ dàng Các thiết bị cô đặc thuộc nhóm này đặc biệt phù hợp để cô đặc các dung dịch mềm, đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt tối ưu.
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)
Nhóm 2 sử dụng dung dịch đối lưu cưỡng bức trong quá trình tuần hoàn cưỡng bức, với thiết bị cô đặc dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt, giúp nâng cao hệ số truyền nhiệt k Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng xử lý các dung dịch đặc sệt, có độ nhớt cao, giảm bám cặn và hạn chế kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Hệ thống bao gồm có buồng đốt trong và ống tuần hoàn ngoài, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất truyền nhiệt cao và đáng tin cậy.
Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3 gồm dung dịch chảy thành màng mỏng, được xử lý bằng thiết bị cô đặc dạng màng giúp giảm thiểu tác động nhiệt và giữ nguyên thành phần dinh dưỡng của dung dịch Thiết bị này chỉ cho phép dung dịch chảy qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hoặc ngược), giúp tránh biến chất các thành phần nhạy cảm Phương pháp này đặc biệt phù hợp để cô đặc các loại dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép, đảm bảo giữ được hương vị tự nhiên và chất lượng cao.
Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) hoạt động ở nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, giúp quá trình cô đặc diễn ra liên tục Thiết bị này thường được sử dụng để giữ mức dung dịch ổn định, từ đó tối đa hóa năng suất và rút ngắn thời gian cô đặc Đây là phương pháp hiệu quả để đạt được hiệu quả cao trong quá trình cô đặc dung dịch.
Cô đặc áp suất chân không là quá trình làm bay hơi dung dịch ở nhiệt độ thấp nhờ vào áp suất chân không, giúp tiết kiệm năng lượng và giữ nguyên chất lượng sản phẩm Quá trình này đảm bảo dung dịch tuần hoàn tốt, ít hình thành cặn bẩn và duy trì sự bay hơi liên tục của dung môi, nâng cao hiệu quả sản xuất.Ưu điểm của phương pháp cô đặc chân không bao gồm khả năng xử lý các dung dịch dễ bay hơi và giữ được các thành phần nhạy cảm ở nhiệt độ thấp, phù hợp cho ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hoá chất.
Cô đặc nhiều nồi giúp tiết kiệm nguyên liệu đốt hiệu quả, tuy nhiên số lượng nồi không nên quá lớn để duy trì khả năng tiết kiệm hơi tối ưu Các phương pháp cô đặc phổ biến bao gồm cô chân không, cô áp lực hoặc kết hợp cả hai để nâng cao hiệu quả kinh tế Ngoài ra, việc sử dụng hơi thứ để phục vụ các mục đích khác cũng góp phần tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.
Cô đặc liên tục mang lại hiệu quả tốt hơn so với cô đặc gián đoạn Phương pháp này có thể được điều khiển tự động, nhưng hiện tại chưa có cảm biến đủ tin cậy để kiểm soát hoàn toàn Tùy thuộc vào từng nhóm thiết bị, có thể thiết kế buồng đốt trong hoặc ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Chế độ cô đặc có thể được áp dụng ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư, dựa trên điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch.
Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
Thiết bị ngưng tụ baromet
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…
Sơ đồ PFD
Sơ đồ hệ thống cô đặc 1 nồi CaCl2
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC
THỰC HÀNH TÍNH TOÁN HÊ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHÊ HÓA
Bản vẽ PFD quá trình cô đặc dung dịch CaCl2 với năng suất theo nhập liệu 2400kg/h
V-103 Bồn chứa hơi ngưng tụ
E-102 Thiết bị ngưng tụ baromet
E-103 thiết bị làm nguội sản phẩm
P-101 A/B Bơm nhập liệu vào thiết bị gia nhiệt
P-102 A/B Bơm sản phẩm vào thiết bị làm nguội
E-104 Thiết bị thu hồi bọt
Evaporato Thiết bị cô đặc
Bộ điều khiển nhiệt độ
Bộ hiển thị nhiệt độ
Bộ điều khiển mực chất lỏng
Bộ hiển thị mực chất lỏng
Bộ điều khiển lưu lượng chất lỏng
Bộ hiển thị lưu lượng chất lỏng
Nhiệt độ 30 94.5 86.5 45 104.4 30 30 119.6 30 30 Áp suất at 1 1 0.626 1 0.758 1 1 2 1 1
Thuyết minh quy trình
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch CaCl2 có nồng độ 17%, được bơm từ bể chứa qua lưu lượng kế để kiểm soát chính xác lượng chất vào quá trình Dung dịch sau đó tiếp tục chảy vào thiết bị gia nhiệt, nơi được đun nóng đến nhiệt độ sôi để chuẩn bị cho các bước sản xuất tiếp theo Quá trình này đảm bảo việc điều chỉnh nồng độ và nhiệt độ phù hợp, tối ưu hóa hiệu quả phản ứng và chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm có hình dạng trụ và chứa nhiều ống nhỏ được bố trí theo hình tam giác đều, đảm bảo hiệu quả trao đổi nhiệt tối ưu Nguồn nhiệt của thiết bị là hơi nước bão hòa có áp suất 2 atm, đi bên ngoài ống (vỏ ống), trong khi dung dịch chảy từ dưới lên bên trong ống để nhận nhiệt Hơi nước ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống, truyền nhiệt để nâng nhiệt độ của dung dịch lên mức sôi, giúp quá trình gia nhiệt diễn ra hiệu quả Sau khi được gia nhiệt, dung dịch tiếp tục chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi; khí hơi ngưng tụ thành nước lỏng và được dẫn ra ngoài qua hệ thống bẫy hơi, đảm bảo quá trình trao đổi nhiệt và cô đặc hiệu quả.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:
Buồng đốt nằm ở phần dưới của thiết bị, gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm để tối ưu quá trình truyền nhiệt Dung dịch chạy trong các ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) di chuyển qua không gian ngoài ống, giúp quá trình truyền nhiệt hiệu quả hơn Hơi đốt sau đó ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt trở lại cho dung dịch đang lưu thông trong ống, nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống.
Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi
Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:
Khi thiết bị hoạt động, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi với khối lượng riêng giảm, bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt, dẫn đến lượng hơi sinh ra trong ống tuần hoàn nhiều hơn Chính vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt, và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới, tạo nên dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc, có chức năng tách hỗn hợp lỏng – hơi thành hai dòng riêng biệt Hơi thứ đi lên phía trên, qua bộ phận tách giọt để loại bỏ những giọt lỏng, trong khi các giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi tiếp tục lưu thông lên trên Dung dịch còn lại được hoàn lưu, đảm bảo quá trình tách đạt hiệu quả cao.
Sau quá trình cô đặc, dung dịch được bơm ra ngoài qua ống tháo sản phẩm vào bể chứa nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng tụ thoát ra từ phía trên buồng bốc, đi vào thiết bị ngưng tụ kiểu baromet để ngưng tụ thành lỏng nhờ nước làm lạnh được bơm vào ngăn trên cùng, trong khi dòng hơi thứ dẫn vào ngăn dưới cùng Dòng hơi thứ tiếp xúc với nước giải nhiệt, ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống bồn chứa qua ống baromet; khí không ngưng tiếp tục đi lên, qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ, thể tích giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm, giúp thiết bị duy trì ổn định áp suất hệ thống Thiết bị này hoạt động ở áp suất khí quyển và cần lắp đặt ở độ cao phù hợp để nước ngưng tự chảy ra ngoài mà không cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn giúp phân tách các giọt lỏng lơ lửng theo dòng khí không ngưng tụ để chuyển về bồn chứa nước ngưng.
Cân bằng vật chất và năng lượng
Dữ kiện ban đầu
Năng suất nhập liệu: Gđ = 2400 kg/h
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t 0 = 30 ℃
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa có độ ẩm bằng 5%, P = 2at Áp suất ngưng tụ: pc = 0,6at
Cân bằng vật chất
3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc)
3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Tổn thất nhiệt độ
Áp suất tại thiết bị ngưng tụ là \( p_c = 0,6\, \text{at} \), tương ứng với nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là \( t_w = 85,5^\circ \text{C} \) (theo trang 314, [1]) Tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ được chọn là \( \Delta''' = 1^\circ \text{C} \) (theo trang 296, [5]).
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: t sdm ( P o) – t w = Δ’’’
⇒ t sdm ( P o )=t w + Δ’ ’’,5+ 1,5 ℃ Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 86,5 0 C ⇒ P 0 = 0,626 at
3.3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)
Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]:
∆ 'o - tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển.
Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a= xtb',5 %
Tra bảng VI.2, trang 66, [2]: ∆ ' o= 8,75℃ f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11, trang 59, [2]: f ,2 ¿ ¿
Trong đó: t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(Po) = 86,5 ℃ ) r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc
Tra bảng I.251, trang 314, [1]: rw = 2291 (kJ/kg).
3.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)
Giả sử nhiệt độ t sdd là 100 ℃ với thành phần xc là 38%, và mật độ ρdd là 1322 kg/m³ theo bảng I.32 trang 38 trong tài liệu tham khảo [1] Chiều cao ống truyền nhiệt h được chọn là 3 mét dựa trên bảng VI.6 trang 80 trong tài liệu [2], và chiều cao thích hợp của dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng h1 là 0,5 mét Gia tốc trọng trường g đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt và tính toán liên quan.
P 0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m 2
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ptb = 0,758 at tương ứng với t sdm ( P tb ) = 91,46 ℃
Sai số 0,001% Vậy tsdd(Ptb) = 100 o C
3.3.3 Tổng tổn thất nhiệt độ: Σ Δ= Δ’+ Δ’’ + Δ’’ ’
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2 at, tD = 119,6 o C
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67, [2].
Trong đó: tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi ℃ tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ ℃ ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, ℃
Hiệu số nhiệt độ chung ∆ t ch =t D − t w công thức VI.18, trang 67, [2].
3.3.4 Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl 2 :
Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 đi vào thiết bị cô đặc là tsdd = 94,5 o C
Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 38 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là: tc = t sdd ( P 0) +2 Δ’’,5 +2.4,964,42 ℃
Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]: a = 17 % (a < 0,2): đ A86 (1−a )A86 (1−0,17 )474,38 J / (kg K ) a = 38% (a > 0,2):
Với cct là nhiệt dung riêng của CaCl2 khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141, trang 152, [1]:
111 p2,7 J /(kg K ) Tra bảng I.154, trang172, [1] ta được nhiệt dung riêng ở nhiệt độ sôi 94,5 ℃ nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 là đ sdd 854,49 J /( kg K )
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nồng độ đầu xđ % khối lượng 17
Nồng độ cuối xc % khối lượng 38
Năng suất nhập liệu Gđ kg/h 2400
Năng suất sản phẩm Gc kg/h 1073,6
Suất lượng W kg/h 1326,32 Áp suất Po At 0,626
Enthalpy iw kJ/kg 2651,8 Ẩn nhiệt hóa hơi rw kJ/kg 2322
Hơi đốt Áp suất PD At 2
Nhiệt độ tD oC 119,6 Ẩn nhiệt ngưng tụ rD kJ/kg 2208
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Po tsdd(Po) o C 94,5
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ o C 8 Áp suất trung bình Ptb At 0,758
Nhiệt độ sôi của dung môi ở Ptb tsdm(Ptb) o C 91,46
Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh Δ” o C 4,96
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb tsdd(Ptb) o C 100
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ”’ o C 1
Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ o C 13,96
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi oC 19,54
Cân bằng năng lượng
3.4.1 Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt E-101
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: tđ = 30 o C tsdd = t sdd (P 0 ),5 ℃
Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp
Trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi đốt là 5%
Lượng hơi nước sử dụng cho thiết bị gia nhiệt
3.4.2 Cân bằng năng lượng ở thiết bị cô đặc
Phương trình cân bằng nhiệt.
Do trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi đốt là 5%
Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp
⇒ Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị cô đặc
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp cho nồi cô đặc
Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng: d= D
3.4.3 Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ E-102
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Dựa vào bảng I.251, trang 314 [1], tra được hàm nhiệt hóa hơi của nước tại 0,6 at là
Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi thứ tỏa ra
Lượng nước làm mát đi vào thiết bị ngưng tụ hơi thứ:
3.4.4 Cân bằng năng lượng tại thiết bị làm nguội sản phẩm E-103
Gc.Csdd.tc Gc.Cc.tsp
Phương trình cân bằng năng lượng
Chọn nhiệt độ đầu ra của sản phẩm t sp = 40℃
Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng sản phẩm ra
Lượng nước sử dụng cho quá trình làm nguội
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ vào buồng bốc tđ ℃ 94,5
Nhiệt độ ra ở đáy buồng bốc tc ℃ 104,42
Nhiệt dung riêng dung dịch 17% Cđ J/(kg.K) 3683,68
Nhiệt dung riêng dung dịch 38% Cc J/(kg.K) 2805,88
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 1107547,97
Lượng hơi đốt cung cấp D Kg/h 2034,97
Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng D Kg/kg 1,534
Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị gia nhiệt
Nhiệt dung riêng của nước ngưng Cn KJ/kg.độ 4186
Lượng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ
Thiết bị làm nguội sản phẩm
Lượng nước làm nguội G2 Kg/h 349,62
Thiết kế thiết bị chính
Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt
Với α1 là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/(m 2 K)
H là chiều cao ống truyền nhiệt H = h2 = 3 m
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm: t m = t D + t v 1
Chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 4,4 ℃
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng
Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ của dung dịch: α n =0,145 P 0,5 ∆ t 2,33 (công thức V.91, trang 26 [2])
Xem nồng độ trong CaCl2 dung dịch là xc = 38%, Phần mol của dung dịch NaNO3: a x c
Khối lượng mol của hỗn hợp lỏng:
4.2.1 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(Ptb): λdd = A.Cdd.ρdd.√ 3 ρ M dd ,(W/mK) (công thức I.32 trang 123, [1])
Với A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với dung dịch CaCl2, A = 3,58.10 -8
M: khối lượng mol dd = c (62,346 (J/kg.K) – nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb) ρ dd 22 , 72 (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb) (tra [1], bảng I.32 trang 38 ở nhiệt độ 100 ℃ )
4.2.2 Hệ số cấp nhiệt của dung dịch: α 2 =α n ( λ λ dm dd ) 0,565 [ ( ρdm ρ dd ) 2 dd dm à à dm dd ] 0,435
Với λdm = 0,585 (W/m.K) – hệ số dẫn nhiệt của dung môi ở tsdm(Ptb) (tra bảng I.129 trang 133, [1])
Cdm = 4217 (J/kg.K) – nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(Ptb) (tra bảng I.149 trang 168, [1]) ρdm = 964,34 (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của nước ở ở tsdm(Ptb) (tra bảng I.5 trang 12, [1])
Ta có: t μ 1 −t μ 2 θ μ 1 −θ μ 2 = K= const (công thức I.17, trang 85, [1]) Trong đó: t μ 1 ,t μ2 là nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt tương ứng với μ 1 , μ 2 θ μ 1 , θ μ 2 nhiệt độ chất lỏng chất chuẩn μ 1 , μ 2
Với dung dịch CaCl2 15% có độ nhớt theo bảng I.107, trang 101,[1] ta có: t μ 1 ℃ ⇒ μ dd1 =1.87 10 −3 ( N s /m 2 ) t μ 2 ℃ ⇒ μ dd2 =1.52 10 −3 ( N s / m 2 )
Chọn nước làm chất lỏng chuẩn theo bảng I.102, trang 94, [1] μ n c ướ =1,87 10 −3 ( N s / m 2 ) ⟹ θ μ 1 = 0℃ t μ 1 −t μ 2 θ μ 1 −θ μ 2 = 10− 20
Với dung dịch CaCl2 38% có t sdd ( P tb ) 0 ℃ ⟹ μ a l 2tại nhiệt độ này
Vậy μ n c ướ ( 44,69℃ ) bằng độ nhớt dung dịch CaCl2 tại t sdd ( P tb ) 0 ℃ : μ dd =0,6024.10 −3 ( N s/ m 2 )
dm = 0,3114.10 -3 N.s/m 2 – độ nhớt của nước ở t sdm (P tb ) (tra bảng I.102 trang 94, [1]) α 2 W19,95 ( 0,499 0,585 ) 0,565 [ ( 1322,72 964,34 ) 2 2862,346 4217 0,6024 10 0,3114.10 −3 −3 ] 0,435
4.2.3 Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q 2 =α 2 ∆ t2 C40,2.8 , 757976,79 (W/m 2 ) Sai số tương đối của q2 so với q1: δ q= | q 1 −q 2 | q 1 =|38373,46−37976,79|
Sai số chấp nhận được Vậy các thông số đã chọn phù hợp.
4.2.4 Nhiệt tải riêng trung bình: q tb = q 1 +q 2
Trong bài viết này, r1 là nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng, với giá trị r1 = 2900 1 = 0,3448×10⁻³ (m²·K/W), dựa theo tra cứu tại [4], bảng 31, trang 29 Nhiệt trở phía ống r2 có giá trị là 0,387×10⁻³ (m²·K/W), tham khảo từ [2], bảng V.1, trang 4 Bề dày của ống truyền nhiệt δ được xác định là 2 mm, tương đương 0,001 m Hệ số dẫn nhiệt của ống λ, trong đó ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T có giá trị là 3 W/(m·K), dựa theo tra cứu tại bảng XII.7, [2], trang 313.
Hệ số truyền nhiệt tổng quát cho quá trình cô đặc
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1 ℃ 114,4
Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi tv2 ℃ 100,21
Hê số cấp nhiệt phía hơi ngưng α 1 W /(m 2 K ) 7378,31
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α 2 W /(m 2 K ) 4340,2
Bề dày ống truyền nhiệt δ m 0,002
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống λ W /(m K ) 16,3
Nhiệt trở phía hơi nước r1 m 2 K/W 0,3448.10 -3
Nhiệt trở phía dung dịch r m 2 K/W 0,387.10 -3
Tính kích thước thiết bị cô đặc
Tính kích thước buồng bốc
Lượng hơi thứ trong buồng bốc (Db)
Trong đó: W suất lượng hơi thứ (kg/h)
h =0,3735kg/m 3 là khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc ở P0= 0,626 at (tra bảng I.251, trang 314, sổ tay 1)
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc: ω h V h π D b 2
Db là đường kính buồng bốc (m).
2 (*) d là đường kính giọt lỏng (m) chọn d= 0,0003 (trang 276, [5]) àh = 0,0124.10 -3 (Pa.s) – độ nhớt động lực học của hơi thứ ở ỏp suất Po = 0,625 at, tsdm 86,5 o C (tra bảng I.121 trang 121, [1])
Nếu 0,2< ℜ< 500 thì hệ số trở lực ξ= 18,5
Từ (*) và (**) suy ra ξ=4,3 D b 1,2 Áp dùng điều kiện ω h α2 nên ta chọn d = dt = 0,025 m.
Chọn số ống n = 301 và bố trí ống theo hình lục giác đều, gồm 9 vòng lục giác đều (bảng V.II trang 48, [2]).
5.2.3 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm: Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:
chọn Dth = 0,273 m = 273 mm theo tiêu chuẩn trang 274,[5]
Chiều cao buồng đốt bằng chiều dài của ống truyền nhiệt
Hệ số β = d t n = 1,3 ÷ 1,5 Chọn β = 1,4 ψ là hệ số sử dụng vỉ ống, ψ = 0,7 ÷ 0,9 Chọn ψ = 0,8
Dnth = Dth + 2.δ = 0,273 + 2.0,002 = 0,277 m - đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm α = 60 o – bố trí ống theo hình lục giác đều
= 0,87 (m) Chọn Dt = 1 m (theo tiêu chuẩn trang 275, [5])
Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Phân bố 301 ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều
Số hình lục giác đều 9
Số ống trên đường tròn xuyên tâm 19
Tổng số ống không kể các ống trên hình viên phân 271
Số ống trong các hình viên phân
Tổng số ống trong tất cả hình viên phân 30
Tổng số ống của thiết bị 301
Thay thế các ống truyền nhiệt ở giữa bằng ống tuần hoàn trung tâm theo công thức:
Dnth ≤ t.(b – 1) +4.dn (công thức V.140 trang 49, [2]) Trong đó t là bước ống chọn t= 1,3 dn b> D th − 4 d n t + 1= 0,273− 4.0,029
Chọn b= 5 ống theo bảng V.11, trang 48, sổ tay 2 Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 5 ống trên đường xuyên tâm
Số ống truyền nhiệt được thay thế là n= 3
Số ống truyền nhiệt còn lại là: n’01-19= 282 (ống)
Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này:
Tính kích thước các ống dẫn
Đường kính của các ống được tính một cách tổng quát theo công thức (VI.41), trang 74, [2]:
G – lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s v – tốc độ của lưu chất; m/s ρ – khối lượng riêng của lưu chất; kg/m 3
Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch CaCl2 17% ở 94,5 o C)
Chọn v = 1,5 m/s (trang 74, [2]). ρ10,048( kg /m 3 ) bảng I.32, trang 38, [1]
Chọn dt = 25 mm dn = 32 mm
Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2
Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch CaCl2 38% ở 104,42 o C) Chọn v = 1 m/s (trang74, [2]) ρ = 1322,6 kg/m 3
Chọn dt = 20 mm dn = 25 mm.
Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2
Lượng hơi đốt sử dụng D 34,97 kg/h.
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 2 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1,107 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 414, QTTB tập 2
3 2034,97g8,32 kg /h Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 2 at
Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1,107 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
Chọn dt = 20mm dn = 25mm.
Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 0,626 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 0,3735 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 314, [1]).
Chọn dt = 250 mm dn = 273 mm.
Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 415, QTTB tập 2
5.3.6 Ống dẫn khí không ngưng:
Chọn dt = 20 mm; dn = 25 mm.
Quy chuẩn theo bảng XIII.26, trang 410, QTTB tập 2
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Số ống truyền nhiệt N ống 301 Đường kính buồng đốt Dt m 1 Đường kính trong ống tuần hoàn trung tâm Dth m 0,273 Đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm Dnth m 0,277
Buồng bốc Đường kính buồng bốc Db m 1,2
Chiều cao buồng bốc Hb là 2,5 mét, phù hợp với các ống dẫn và ống nhập liệu có đường kính trong là 25 mm và ngoài 32 mm Các ống tháo liệu có đường kính trong 20 mm và ngoài 25 mm, đảm bảo hiệu quả thoát khí và dung dịch Hệ thống ống dẫn hơi đốt được thiết kế với đường kính trong 200 mm và ngoài 219 mm, trong khi ống dẫn hơi thứ có đường kính trong 250 mm và ngoài 273 mm để đáp ứng các yêu cầu vận chuyển khí nóng Ống dẫn nước ngưng, có đường kính trong 20 mm và ngoài 25 mm, giúp duy trì quá trình ngưng tụ hiệu quả Cuối cùng, hệ thống ống dẫn khí không ngưng cũng có đường kính trong 20 mm và ngoài 25 mm, đảm bảo luồng khí ổn định trong quá trình hoạt động.
Tính toán tính bền cơ khí cho các chi tiết thiết bị của cô đặc
Tính cho thiết bị buồng đốt
6.1.1 Sơ lược về cấu tạo: Đường kính trong Dt = 1000 mm, chiều cao Ht = 3000 mm
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt
Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 2 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:
P m =P D – P a =2 – 1=1 at =0,098 N/mm 2 Áp suất tính toán là:
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 119,6 o C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: t tt =t D + 209,6 +209,6 ℃ (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7]).
⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:
Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là
Trong đó: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía)
Dt = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt.
Pt = 0,135 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt.
Dt = 1000 mm ⇒ Smin = 3 mm > 0,65 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 3 mm
Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).
Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm
⇒ Hệ số bổ sung bề dày là:
Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:
D t = 1000 6−1 = 0,005 < 0,1 (thỏa). Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
1000+(6−1) = 1,032 N/mm 2 > 0,135 N/mm 2 Vậy bề dày buồng đốt là 6 mm
⇒ Đường kính ngoài của buồng đốt: Dn = Dt + 2S = 1000 + 2.6 = 1012 mm.
Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]): dmax = √ 3 D t ( S− a ) (1−k) ; mm.
Dt = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt.
S = 6 mm – bề dày của buồng đốt. k – hệ số bền của lỗ. k= (2,3 D t P t
So sánh: Ống dẫn hơi đốt Dt = 200 mm > dmax Ống xả nước ngưng Dt = 20 mm < dmax Ống xả khí không ngưng Dt = 20 mm < dmax
⇒ Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân (6 mm).
Tính cho buồng bốc
6.2.1 Sơ lược về cấu tạo
Buồng bốc có đường kính trong là Db 00 mm, chiều cao Hb = 2500 mm.
Thân gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 2 kính quan sát.
Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt.
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
Buồng bốc hoạt động trong điều kiện chân không, do đó chịu áp lực từ bên ngoài Với áp suất tuyệt đối trong buồng là tối thiểu 0,626 atm, buồng phải chịu áp lực môi trường bên ngoài cao hơn để duy trì trạng thái chân không hiệu quả Việc thiết kế buồng bốc cần đảm bảo khả năng chịu lực tốt trước áp suất bên ngoài, giúp duy trì hiệu quả hoạt động và đảm bảo an toàn.
Nhiệt độ của hơi thứ ra là t sdm ( P 0 ),5 ℃ vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: t tt ,5 +206,5℃
(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt).
Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía).
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7]).
⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:
(Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là
Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [7]).
⇒ Ứng suất chảy của vật liệu là σ c t = [σ]*.nc = 120.1,65 = 198 N/mm 2 Áp dụng công thức 5-14, trang 98,[7]:
Dt = 1200 mm – đường kính trong của buồng bốc.
Pn = 0,1347 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng bốc.
L = 2500 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích.
Dt = 1200 mm ⇒ Smin = 3 mm < 5,6 mm ⇒ chọn S’ = 5,6 mm
Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).
Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,5 mm
⇒ Hệ số bổ sung bề dày là:
Kiểm tra bề dày buồng bốc:
Kiểm tra công thức 5-15, trang 99,[7]:
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:
So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99,[7]:
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Lực nén chiều trục lên buồng bốc: (công thức 5-30, trang 103, [7])
1,99.10 5 0,0843 =0,073 (công thức 5-34, trang 103, [7]) Điều kiền thỏa mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [7]):
↔ 7 ≥ 1,83 (thỏa). Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]: σ n = π ( S− P nct a )( D t + S) = 3,14.(8−1)(1200+ 152976,27 7) = 5,77 N/mm 2 Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [7]:
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời của áp suất ngoài và lực nén chiều trục:
Kiểm tra điều kiện 5-47, trang 107, [7]: σ n
Vậy bề dày buồng bốc là 8 mm.
⇒ Đường kính ngoài của buồng bốc: Dn = Dt + 2S = 1200 + 2.8 = 1216 mm.
Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]) dmax = √ 3 D t ( S− a ) (1−k) mm.
Dt = 1200 mm – đường kính trong của buồng bốc.
S = 8 mm – bề dày của buồng bốc. k – hệ số bền của lỗ. k= (2,3 D t P n
So sánh: Ống nhập liệu Dt = 20 mm < dmax
Cửa sửa chữa Dt = 500 mm > dmax
Kính quan sát Dt = 200 mm > dmax
Không cần tăng cứng cho lỗ hơi đốt vào
Tính cho đáy thiết bị
6.3.1 Sơ lược về cấu tạo
Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1000 mm. Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60 o
Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 906 mm
Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,071 m 3 Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu và 1 lỗ để gắn vòi thử sản phẩm.
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T
Chiều cao phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt Hc:
- Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc.
- Tổng thể tích của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:
Với n’ = tổng số ống truyền nhiệt (n) – số ống truyền nhiệt được thay thế (n’’) n’’ = 3 4 ( b 2 -1) = 3 4 ( 5 2 -1) = 18 ống.
- Thể tích của phần đáy nón:
- Với đường kính trong của ống nhập liệu là 20 mm, tốc độ nhập liệu được tính lại:
- Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm: v’= V nl d nl
-Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị: τ = l+l ' v ’ l+ V đ
Trong đó: vnl – tốc độ của dung dịch trong ống nhập liệu; m/s dnl – đường kính trong của ống nhập liệu; m
Dth - đường kình trong của ống tuần hoàn; m l – chiều dài của ống truyền nhiệt; m
- Thể tích dung dịch đi vào trong thiết bị:
Trong đó: ρ s là khối lượng riêng của dung dịch sôi bọt trong thiết bị.; kg/m 3
-Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt:
- Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là Hgc = 40 mm.
⇒ Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:
⇒ Thể tích của phần hình nón cụt:
⇒ Chiều cao của chất lỏng phần hình nón cụt:
- Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:
Hc – chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt; m
Hgc – chiều cao của chất lỏng trong phần gờ nối với buồng đốt; m
Hbđ – chiều cao của chất lỏng trong buồng đốt; m
Hđ – chiều cao của chất lỏng trong đáy nón; m.
-Áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị: p tt = ρ dd g H ’22 , 72.9,81 4,106 10 −6 =0,053 N / mm 2
- Đáy có áp suất bên trong là P 0 = 0,629 at nên chịu áp suất ngoài là
Ngoài ra, đáy còn chịu áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị Như vậy, áp suất tính toán là:
-Các thông số làm việc:
-Các thông số tính toán: l’ – chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 906 mm
D’ – đường kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, trang 133, [7]).
Trong đó: dt = 20 mm – đường kính trong bé của đáy nón (đường kính của ống tháo liệu)
Pn = 0,13 N/mm 2 tt = 104,42+20 = 124,42 o C (đáy có bọc lớp cách nhiệt).
-Các thông số cần tra và chọn:
[σ]* = 120 N/mm 2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt
(hình 1-2, trang 16, [7]) η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
[σ] = η.[σ]* = 0,95.120 = 114 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu
Trong bài viết, chúng ta xác định module đàn hồi của vật liệu ở trạng thái thử nghiệm là Et = 2,0 x 10^5 N/mm² dựa trên bảng 2-12, trang 34 của tài liệu tham khảo Hệ số an toàn khi chảy được đặt là nc = 1,65, theo bảng 1-6, trang 14 Do đó, giới hạn chảy của vật liệu ở trạng thái thử nghiệm được tính bằng công thức σ_ct = nc × [σ], trong đó [σ] = 1208 N/mm², mang lại giá trị giới hạn chảy của vật liệu là σ_ct = 1,65 × 1208 N/mm².
- Chọn bề dày tính toán đáy S = 6 mm
Kiểm tra bề dày đáy:
Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]:
Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:
So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99, [7]:
Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Dn – đường kính ngoài; mm
Pn – áp suất tác dụng lên đáy thiết bị; N/mm 2
- Lực nén chiều trục cho phép:
Kc – hệ số phụ thuộc vào tỷ số 2.(S− D t a ) ,tính theo công thức trang 103,[7]
= 1000875 N > 150306 N (thỏa) Điều kiện ổn định của đáy:
Vậy bề dày của đáy là 6 mm.
Tính bền cho các lỗ là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính ổn định của cấu trúc, đặc biệt khi đáy chỉ có lỗ để tháo liệu Đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được xác định dựa trên công thức (8-3), trang 162, [7], với dmax = 2.[ ( S − S'a − 0,8 ) √ D' ( S− a ) − a ], giúp tính toán chính xác và đảm bảo an toàn cho kết cấu.
S – bề dày đáy thiết bị; mm
S’ – bề dày tính toán tối thiểu của đáy; mm (chọn theo cách tính của buồngđốt)
Ca – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm
D’ – đường kính tính toán của đáy; mm
So sánh: Ống tháo liệu Dt = 20 mm < dmax
⇒ Không cần tăng cứng cho lỗ.
Tính toán cho nắp thiết bị
6.4.1 Sơ lược về cấu tạo
- Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn Dt = 1200 mm.
4 =300 mm và Rt = Dt 00 mm.
- Nắp có gờ và chiều cao gờ là hg = 50 mm.
- Nắp có 1 lỗ để thoát hơi thứ.
- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
- Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là Po = 0,626 at nên chịu áp suất ngoài là Pn = 1,374 at = 0,1347 N/mm 2
- Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là tt = 86,5 + 20 = 106,5 o C
(nắp có bọc lớp cách nhiệt).
- Chọn bề dày tính toán nắp S = 8 mm.
Kiểm tra bề dày nắp:
E t =2 10 5 N / mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở tt = 106,5 o C
(bảng 2-12, trang 34, [7]) σ c t ¿ 1,65.1208 N /mm 2 (giới hạn chảy của vật liệu (công thức 1-3, trang 13, [7])
[σ]* = 120 N / mm 2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt (hình 1-2, trang16, [7]) nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7]) x = 0,7 với thép không gỉ. β = E t ( S− a ) + 5 x R t σ c t
2.10 5 ( 8−1)−6,7.0,7 1200 (1−0,7) 198 =2,42 ứng suất nén cho phép của vật liệu làm nắp tính giống như buồng bốc (công thức 5-31, trang 103, [7])
Vậy bề dày của nắp ellipse là 8 mm.
Tính bền cho các lỗ:
Vì nắp chỉ có lỗ để tháo liệu nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức (8-3), trang 162, [7]: dmax = 2.[ ( S − S ' a − 0,8 ) √ D ' ( S − a ) − a ]
S – bề dày đáy thiết bị; mm
(chọn theo cách tính của buồng bốc)
Ca – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm
D’ – đường kính tính toán của đáy; mm
So sánh: Ống dẫn hơi thứ Dt = 250 mm > dmax
⇒ Cần tăng cứng cho lỗ của ống dẫn hơi thứ, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày nắp (8 mm).
Tính mặt bích
6.5.1 Sơ lược về cấu tạo
Bu lông và bích được làm từ thép CT3
Mặt bích được sử dụng để kết nối nắp của thiết bị với buồng bốc, liên kết giữa các buồng bốc và buồng đốt, cũng như kết nối buồng đốt với đáy của thiết bị Lựa chọn mặt bích liền bằng thép loại kiểu 1 theo tiêu chuẩn trong bảng XIII.27, trang 417, [2], đảm bảo độ bền và độ chính xác trong quá trình lắp đặt và vận hành thiết bị.
Các thông số cơ bản của mặt bích:
Dt là đường kính trong, mm
D là đường kính ngoài của mặt bích, mm
Db là đường kính vòng bu lông, mm
D1 là đường kính đến vành ngoài đệm, mm
D0 là đường kính đến vành trong đệm, mm db là đường kính bu lông, mm
Z là số lượng bu lông, cái h là chiều dày mặt bích, mm
6.5.2 Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,135 N/mm 2 Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,1347 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py= 0,6 N/mm 2 để bích kín than
Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm
6.5.3 Mặt bích nối buồng đốt và đáy:
Buồng đốt và đáy được kết nối qua đường kính buồng đốt là 1000mm, đảm bảo cấu trúc chắc chắn và khả năng hoạt động tối ưu Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,1347 N/mm², phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn Trong khi đó, áp suất tính toán tại đáy là 0,1877 N/mm², giúp duy trì hiệu suất và ổn định của hệ thống combustion.
Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py= 0,6 N/mm 2 để bích kín thân
Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm
6.5.4 Mặt bích nối nắp và buồng bốc:
Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt= 1200mm Áp suất tính toán của buồng bốc và nắp là 0,1347 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py= 0,3 N/mm 2 để bích kín thân
Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm mm cái mm mm
Tính vỉ ống
6.6.1 Sơ lược về cấu tạo:
Chọn vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị Vỉ ống phải giữ chặt các ống truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất.
Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong.
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là t t =t D 9,6 ℃ Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt là [ σ ¿¿ u] ¿ 0 N / mm 2 ¿(hình 1-2, trang 16, [7])
Chọn hệ số hiệu chỉnh η=1
Ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt là
6.6.2 Tính cho vỉ ống ở trên buồng đốt
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1’ được xác định theo công thức 8-
K= 0,3 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
Dt là đường kính trong của buồng đốt, mm p0 là áp suất tính toán ở trong ống, N/mm 2
[ σ ] u là ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt, N/mm 2
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa ống h’ được xác định theo công thức 8-48, trang 181,[7] h’= D t K √ [ σ P ] u φ 0 0
K= 0,5 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
0 là hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ.
Dn= 1000mm là đường kính vỉ ống, mm
d là tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ, mm
Kiểm tra bề vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức 8-53, trang 183, [7] σu P o
Trong đó: dn= 29 mm là đường kính ngoài ống truyền nhiệt t =1,4 d n =1,4 0,029=0,0406 m là bước ống
2 0,0406 =0,035m5 mm được xác định theo hình 8-14, trang 182, [7] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều.
Vậy vỉ ống trên buồng đốt dày 30mm
6.6.3 Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1’ được xác định theo công thức 7-
K= 0,3 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
Dt là đường kính trong của buồng đốt, mm p0 là áp suất tính toán ở trong ống, N/mm 2
Với ddmax = dd (27,5 %; 94,5 ℃ )= 1223,18 kg/m 3 (tra bảng I.32 trang 38[1].
[σu] là ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở tt, N/mm 2
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định theo công thức 8-
K= 0,5 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
0 là hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ.
Dn= 1000mm là đường kính vỉ ống, mm
d là tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ, mm
Kiểm tra bề vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức 8-53, trang 183, [7] σu P o
Trong đó: dn= 30mm là đường kính ngoài ống truyền nhiệt t= 1,4 dn= 1,4 0,029= 0,0406 m là bước ống
2 0,0406 =0,035m5 mm được xác định theo hình 8-14, trang 182, [7] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều.
Vậy vỉ ống trên buồng đốt dày 30mm
Khối lượng và tai treo
Khối lượng tai treo cần chịu: m = mtb + mdd
- Tổng khối lượng thép làm thiết bị: mtb = mđ+mn+ mbb+ mbđ + mc + mvỉ + mống TN + mống TH + mbích + mbu lông + mốc
Trong bài viết này, chúng tôi cung cấp các thông số về khối lượng thép sử dụng trong các bộ phận của hệ thống: mđ là khối lượng thép làm đáy, tính bằng kilogram; mn là khối lượng thép làm nắp, cũng theo đơn vị kg; mbb đại diện cho khối lượng thép của buồng bốc; mbđ là khối lượng thép làm buồng đốt; mc là khối lượng thép của phần hình nón cụt nối giữa buồng bốc và buồng đốt; mống TN là khối lượng thép làm ống truyền nhiệt; và mống TH biểu thị khối lượng thép của ống tuần hoàn trung tâm.
Khối lượng riêng của thép không gỉ OX18H10T là ρ1 = 7900 kg/m 3
Khối lượng riêng của thép CT3 là ρ2 = 7850 kg/m 3
Buồng đốt được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm buồng đốt:
Dnbđ – đường kính ngoài của buồng đốt; m
Dtbđ – đường kính trong của buồng đốt; m
Hbđ – chiều cao của buồng đốt; m
Khối lượng thép làm buồng đốt: m bđ = ρ 1 V bđ y00.0,057E0,3 kg
Buồng bốc được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm buồng bốc:
Dnbb – đường kính ngoài của buồng bốc; m
Dtbb – đường kính trong của buồng bốc; m
Hbb – chiều cao của buồng đốt;
Khối lượng thép làm buồng đốt: m bb = ρ 1 V bb y00.0,0758Y9,3 kg
6.7.3 Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt
Phần hình nón cụt được chế tạo bằng thép không gỉ OX18H10T, đảm bảo độ bền và chống ăn mòn cao Đường kính trong của phần hình nón cụt lớn bằng chiều rộng của buồng bốc, với Dtl = 1200 mm, giúp tối ưu quá trình trao đổi nhiệt Trong khi đó, đường kính trong nhỏ hơn, Dtn = 1000 mm, phù hợp với kích thước của buồng đốt, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Bề dày của phần hình nón cụt (không tính gờ) bằng với bề dày buồng bốc
Bề dày của phần gờ nón cụt bằng với bề dày buồng đốt S = 6 mm.
Chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ) là Hc = 250 mm.
Chiều cao của phần gờ nón cụt là Hgc = 40 mm.
Thể tích thép làm phần hình nón cụt:
Vc = 12 π [ ( D nl 2 + D nl D nn + D nn 2 ) − ( D tl 2 + D tl D tn + D tn 2 ) ] H c + π 4 D đ 2 H gc ¿ π
Khối lượng thép làm phần hình nón cụt: m c = ρ 1 V c y00.0,00687T,273 kg
6.7.4 Đáy nón Đáy nón được làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Đáy nón tiêu chuẩn có góc đáy 60 o , có gờ cao 40 mm.
⇒ Khối lượng thép làm đáy nón: m đ =1,01.87,87 kg
Nắp ellipse được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Nắp ellipse tiêu chuẩn có:
⇒ Khối lượng thép làm nắp ellipse: m n =1,01.1067,06 kg
6.7.6 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm Ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm ống:
Vong = VongTN + VongTH = π [ n ' ( d n 2 −d l 2 ) + ( D nth 2 − D tth 2 ) ]
Khối lượng thép làm ống: m ố ng = ρ 1 V ố ng y00.0,14978,18kg
Có 6 mặt bích, gồm 2 mặt nối nắp và buồng bốc, 2 mặt nối buồng bốc và buồng đốt, 2 mặt nối buồng đốt và đáy Các mặt bích phía buồng đốt có vỉ ống.
Mặt bích được làm bằng thép CT3.
Thể tích thép làm 2 mặt bích không có vỉ ống:
4 0,028 = 0,0126 m 3 Thể tích thép làm 2 mặt bích có vỉ ống:
D, Z, db, h là những thông số của bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy.
Dt – đường kính trong của buồng đốt; m dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; m
Dnth – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm; m.
Thể tích thép làm mặt bích nối nắp và buồng bốc:
D, Z, db, h là những thông số của bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy.
Dt – đường kính trong của buồng đốt; m
⇒ Tổng thể tích thép làm mặt bích:
⇒ Khối lượng thép làm mặt bích: m bích =ρ 2 V bích x50.0,0689T0,87 kg
Bu lông và ren được làm bằng thép CT3.
Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:
D=1,7 d b =1,7.204 mm – đường kính bu lông.
H = 0,8.d b =0,8.20 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi. h ’=0,8 d b =0,8.20 mm – chiều cao đai ốc. h ’’= h+ 2 +2" mm – chiều cao phần lõi bu lông. h’’’ = 9 mm – kích thước phần ren trống.
Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:
D = 1,7.db = 1,7.20 = 34 mm – đường kính bu lông.
H = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi. h’ = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc. h’’ = h + 2 = 20 + 2 = 22 mm – chiều cao phần lõi bu lông. h’’’ = 9 mm – kích thước phần ren trống.
6.7.9 Đai ốc Đai ốc được làm bằng thép CT3.
Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:
H ’=0,8 d b =0,8.20 mm – chiều cao đai ốc. d t =1,4 d b =1,4.20= 28 mm – đường kính trong của đai ốc. d n = 1,15.d b =1,15.282,2 mm – đường kính ngoài của đai ốc.
4 0,016 = 0,00018 m 3 Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:
H ’=0,8 d b =0,8.20 mm – chiều cao đai ốc. d t =1,4 d b =1,4.20= 28 mm – đường kính trong của đai ốc. d n = 1,15.d b =1,15.282,2 mm – đường kính ngoài của đai ốc.
⇒ Tổng thể tích thép làm bu lông, ren và đai ốc:
⇒ Khối lượng thép làm bu lông, ren và đai ốc: m bu lông +m đai c ố = ρ 2 ΣV x50.0,002742!,53 kg
6.7.10 Vỉ ống Được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm vỉ ống:
Dt = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt. dn = 29 mm – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.
Dnth = 277 mm – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm.
S = 30 mm – chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống.
4 0,03=0,032m 3 Khối lượng thép làm vỉ ống: m vỉ = ρ 1 V vỉ y00.0,032%5,1 kg
Chi tiết Loại thép Khối lượng (kg)
Phần hình nón cụt OX18H10T 54,27 Đáy nón OX18H10T 87,87
Nắp ellipse OX18H10T 107,06 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm
Bu long, Ren, Đai ốc CT3 21,53
Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dich trong thiết bị:
Khối lượng riêng lớn nhất của dung dịch đạt được ở nồng độ 38% và nhiệt độ 94,5°C, với khối lượng riêng tối đa là 1326 kg/m³ theo dữ liệu từ bảng I.32 trang 38 trong tài liệu tham khảo.
Thể tích dung dịch trong thiết bị:
Vdd = Vc + Vống TH +Vống TN +Vđ
Db – đường kính trong của buồng bốc; m
Dđ – đường kính trong của buồng đốt; m
Hc – chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ); m
Hgc – chiều cao của gờ nón cụt; m
VốngTH – thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm; m 3
VốngTN – thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt; m 3
Vđ – thể tích dung dịch trong đáy nón; m 3
Khối lượng cần tăng cứng cho các bộ phận:
Tổng tải trọng của thiết bị:
Chọn 4 tai treo thẳng đứng, được làm bằng thép CT3.
Trọng lượng trên mỗi tai treo:
Các thông số của tai treo được chọn từ bảng XIII.36, trang 438, [2]:
G – tải trọng cho phép trên một tai treo; N
F – bề mặt đỡ; N q – tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ; N/m 2