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 vô cơ… Hiện nay, ph
TỔNG QUAN
Nhiệm vụ đồ án
Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH
-Nồng độ nhập liệu: xđ = 15%
- Nồng độ sản phẩm: xc = 30%
-Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,4 at → Pc = 1 – 0,4 = 0,6 at
- Áp suất hơi bão hòa: P = 4at
- Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu: t = 30oC
Giới thiệu về nguyên liệu
Natri hydroxid (NaOH) là chất rắn màu trắng ở dạng tinh thể, có khối lượng riêng khoảng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sôi ở 1388 oC dưới áp suất khí quyển; NaOH tan tốt trong nước (1110 g/L ở 20 oC) và sự hòa tan tỏa nhiệt mạnh NaOH có độ tan thấp hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol; cả NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí, nên cần được bảo quản trong các thùng kín.
Dung dịch NaOH là một base mạnh có tính ăn da và khả năng ăn mòn cao, vì vậy cần áp dụng các biện pháp an toàn lao động và bảo vệ thiết bị nhằm giảm thiểu ăn mòn và rủi ro trong quá trình sản xuất NaOH Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành công nghiệp hóa chất cơ bản và có vai trò lâu dài, đóng góp lớn cho sự phát triển của các lĩnh vực như dệt may, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu và sản xuất phèn, đồng thời là nền tảng cho nhiều chu trình sản xuất khác.
Khái quát về cô đặc
Cô đặc là phương pháp nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch có hai hoặc nhiều thành phần Quá trình này thường diễn ra ở hệ dung dịch lỏng–rắn hoặc lỏng–lỏng có sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa các chất rất lớn, thông qua việc tách một phần dung môi dễ bay hơi ra khỏi dung dịch Đây là các quá trình vật lý–hóa lý Tùy thuộc vào tính chất bay hơi của chất khó bay hơi (hoặc không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách phần dung môi bằng hai phương pháp chính: đun nóng để bay hơi dung môi hoặc làm lạnh để kết tinh.
1.3.2 Các phương pháp cô đặc
1.3.2.1 Phương pháp nhiệt ( đun nóng)
Dung môi bốc hơi khi bị tác động của nhiệt, quá trình này diễn ra khi áp suất riêng phần của dung môi bằng với áp lực tác dụng lên mặt thoáng của dung dịch Một số dung dịch nhạy nhiệt không chịu được nhiệt độ cao có thể làm biến đổi tính chất sản phẩm, vì vậy cần được cô đặc ở nhiệt độ thấp tương ứng với áp suất mặt thoáng thấp bằng phương pháp cô đặc chân không.
Khi nhiệt độ được hạ xuống đến một mức nhất định, một thành phần sẽ tách ra và kết tinh thành tinh thể của chất rắn tinh khiết Quá trình kết tinh thường được thực hiện bằng cách kết tinh từ dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Tùy thuộc vào tính chất của chất và áp suất tác động lên mặt thoáng, quá trình kết tinh có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, và đôi khi cần dùng máy lạnh để duy trì điều kiện lạnh cần thiết.
1.3.2.3 Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do
Chênh lệch khối lượng riêng giữa các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy nồi cô đặc tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch, giúp quá trình cô đặc diễn ra hiệu quả và cho sản phẩm đồng nhất Việc tách không khí và lắng keo giúp ngăn chặn sự hình thành bọt trong quá trình cô đặc, ổn định dòng chảy và cải thiện chất lượng thành phẩm.
1.3.3 Ứng dụng của quá trình cô đặc
Quá trình cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhằm tăng nồng độ của các dung dịch loãng và tách các chất hòa tan, thường gắn liền với quá trình kết tinh Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây; trong sản xuất hoá chất, ta cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2 và các muối vô cơ Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất và thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc như một giải pháp hiệu quả để đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn Dù là một hoạt động gián tiếp, cô đặc vẫn đóng vai trò thiết yếu và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc trở thành nhu cầu tất yếu, đòi hỏi các thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.
Do đó, yêu cầu đặt ra với người kỹ sư là trang bị kiến thức vững chắc và đa dạng hơn, đồng thời chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc để nâng cao hiệu suất, tối ưu hóa vận hành và mở rộng ứng dụng công nghệ trong thực tế.
Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt
Nhóm 1 là dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc thuộc nhóm này có khả năng cô đặc các dung dịch khá loãng và có độ nhớt thấp, nhờ đó quá trình tuần hoàn qua bề mặt truyền nhiệt diễn ra dễ dàng và hiệu quả.
+ 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 là dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc của nhóm này sử dụng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt, nhằm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt Ưu điểm nổi bật là tăng hệ số truyền nhiệt k, có thể xử lý các dung dịch khá đặc và độ nhớt cao, đồng thời giảm bám cặn và ngăn ngừa kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Thiết bị gồm buồng đốt trong và ống tuần hoàn ngoài.
+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài
Nhóm 3 là công nghệ dung dịch chảy thành màng mỏng với thiết bị cô đặc cho phép dung dịch chảy qua bề mặt trao nhiệt ở dạng màng chỉ một lần, theo hướng xuôi hay ngược, nhằm giảm thời gian tiếp xúc nhiệt và tránh biến chất các thành phần dung dịch Đây là giải pháp tối ưu cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, nước ép hoa quả, giúp bảo toàn hương vị, màu sắc và dưỡng chất nhạy cảm với nhiệt trong quá trình cô đặc.
+ 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 pháp thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) là quá trình duy trì nhiệt độ sôi và áp suất ở mức không đổi khi cô đặc dung dịch liên tục Thiết bị này được sử dụng để giữ mức dung dịch cố định, từ đó tối ưu hóa năng suất và rút ngắn thời gian cô đặc Nhờ nhiệt độ sôi và áp suất ổn định, phương pháp này mang lại hiệu quả sản xuất cao và tiết kiệm chi phí vận hành trong các quy trình cô đặc dung dịch.
Cô đặc áp suất chân không là quá trình làm cô đặc dung dịch ở nhiệt độ sôi thấp khi ở áp suất chân không, giúp tăng hiệu suất cô đặc và tiết kiệm năng lượng Quá trình này cho dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi của dung môi diễn ra liên tục, từ đó thu hồi dung môi hiệu quả và duy trì sự liên tục của quy trình.
Cô đặc nhiều nồi là phương pháp nhằm tiết kiệm hơi đốt trong quá trình cô đặc Tuy nhiên, số nồi không nên quá lớn vì tăng số nồi sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể áp dụng các phương pháp như cô chân không, cô áp lực hoặc phối hợp cả hai để tối ưu hiệu quả và linh hoạt Đặc biệt, hơi thứ có thể được sử dụng cho mục đích khác nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống.
- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy
1.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
Thiết bị chính của hệ thống gồm ống nhập liệu, ống tháo liệu, ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt, kết hợp với buồng đốt và buồng bốc; đáy và nắp đóng vai trò là thành phần cấu trúc và nắp kín, trong khi các ống dẫn gồm hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng và khí không ngưng điều tiết luồng chất và tách nước ngưng khỏi khí không ngưng để tối ưu hóa quá trình gia nhiệt, bay hơi và ngưng tụ, đồng thời đảm bảo hiệu suất và an toàn cho toàn bộ hệ thống.
Trong hệ thống sản xuất, các thiết bị phụ đóng vai trò then chốt gồm bể chứa nguyên liệu và bể chứa sản phẩm, bồn cao vị để nâng hạ và trộn liệu, lưu lượng kế để đo luồng chất, thiết bị gia nhiệt và thiết bị ngưng tụ baromet, cùng với các bơm chuyên dụng như bơm nguyên liệu vào bồn cao vị, bơm tháo liệu và bơm nước vào thiết bị ngưng tụ Hệ thống còn có bơm chân không, các van điều khiển và các thiết bị đo nhiệt độ, áp suất nhằm giám sát, điều chỉnh và đảm bảo an toàn cho quá trình.
Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaOH
Thiết bị được lựa chọn là hệ cô đặc 1 nồi liên tục hoạt động ở áp suất chân không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm, nhờ cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, phù hợp với dung dịch có độ nhớt cao như NaOH Việc làm việc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, từ đó giảm chi phí năng lượng và nâng cao hiệu quả vận hành của quá trình cô đặc.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ quy trình công nghệ
Thuyết minh quy trình công nghệ
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% Dung dịch được bơm từ bể chứa lên bồn cao vị, sau đó chảy qua lưu lượng kế và đi vào thiết bị gia nhiệt để được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, có hình trụ đứng và chứa nhiều ống nhỏ bên trong; các đầu ống được cố định trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân, tạo thành một cấu trúc kín Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa ở áp suất 4 atm đi bên ngoài ống (vỏ) Dung dịch được đưa từ đáy ống lên theo chiều dòng bên trong; hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch, nâng nhiệt độ của dung dịch lên tới nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và được dẫn ra ngoài qua đường ống ngưng.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc bắt đầu từ buồng đốt ở phần dưới, gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm, nơi dung dịch đi qua ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi quanh ống và hơi đốt ngưng tụ ngoài ống, truyền nhiệt cho dung dịch đang di chuyển trong ống Dung dịch đi theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt từ hơi đốt ngưng tụ để sôi, hoá hơi một phần dung môi; hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng chảy ra ngoài, giúp cô đặc dung dịch lên đến nồng độ khoảng 30% khối lượng Hơi sinh ra được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần hơi còn lại, phần khí còn lại được hút ra ngoài bằng bơm chân không.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Cân bằng vật chất và năng lượng
-Nồng độ nhập liệu: xđ = 15%
-Áp suất ngưng tụ: P ck = 0,4 at → P c = 1 – 0,4 = 0,6 at
- Áp suất hơi bão hòa: P = 4at
- Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu: t = 30 o C
Suất lượng đầu ra: (G c ) Ở 30 o C, Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15% là: ρd = 1159 kg/m 3 Bảng 4, tr 11,[1]
Phương trình cân bằng vật chất: Gđ xđ = Gc.xc
Lượng hơi thứ bốc lên:
3.1.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là P c = 1 – 0,4 = 0,6 at
Nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là t_c = 85,5 °C, theo bảng I.251, trang 314 [2] Để tính toán, cần chọn tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ.
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: t sdm( P0) - t c =1 t sdm = 85,5 + 1 = 86,5 ( o C)
Áp suất buồng bốc ứng với nhiệt độ 86,5 o C : P 0 = 0,6275 at
3.1.2.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng
+ ' 0 - 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 = xc = 30 %
2 r t = 86,5 oC r: Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc; r = 2293,25 ( Kj/Kg)
3.1.2.3 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh Δ’’ = t sdd (P tb ) – t sdd (P 0 ) = t sdm (P tb ) – t sdm (P 0 )
Ta có: Áp suất ở lớp chất lỏng trung bình:
P tb =P 0 +∆P=P 0 + 0,5ρ 9,81.10 hh gH 4 op (at) ρ hh = ẵ ρ dd
Chiều cao thích hợp của dung dịch sôi trong ống truyền nhiệt tính theo kính quan sát mực chất lỏng:
Trong đó: ρdd : Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ cuối ( x c = 30%) ( Kg/m 3 ) ρ dm : Khối lượng riêng dung môi ( kg/m 3 )
H: chiều cao ống truyền nhiệt (m) – Chọn H = 1,5 m Bảng VI.6, tr 80,[3]
P 0 : áp suất trên mặt thoáng dung dịch (lấy bằng áp suất hơi thứ p) (at) g: gia tốc trọng trường (lấy g = 9,81) (m/s 2 )
Với t = 103 o C, Bảng I.249, tr 311, [2], ta có: ρ dm = 956,18 kg/m 3
Với x c = 30% , tra bảng 4, tr 11, [3], ta có: ρdd = 1273,25 kg/m 3 ρ hh = ẵ ρ dd = 636,625 ( kg/m 3 )
t sdm(Ptb) = 87,82 o C Bảng I.251, tr 314, [2] Suy ra: Δ’’ = t sdm (P tb ) – t sdm (P 0 ) = 87,82– 86,5 = 1,32 o C
3.1.2.4 Tổng tồn thất nhiệt độ Δ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ = 15,52 + 1,32 + 1 = 17,84 ( o C)
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích : Δt hi = t (4at) – ( tc + Δ) = 142,9 – ( 85,5 + 17,84) = 39,56 ( o C)
Thông số Kí hiệu Đơn vị Kết quả
Năng suất nhập liệu G đ Kg/h 5795
Năng suất tháo liệu G c Kg/h 2897,5
Suất lượng W Kg/h 2897,5 Áp suất p 0 at 0,6275
12 Ẩn nhiệt hóa hơi r Kj/kg 2293,25
HƠI ĐỐT Áp suất p D at 4
Nhiệt độ t D o C 142,9 Ẩn nhiệt hóa hơi r D Kj/kg 2141
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở P 0 t sdd(Po) 0 C 102,02
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ 0 C 15,52 Áp suất trung bình P tb at 0,661
Nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất tiêu chuẩn (Ptb) là 87,82°C Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh (Δ'') là 1,32°C Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất tiêu chuẩn (Ptb) là 103°C Tổn thất nhiệt độ trên đường ống (Δ''') là 1°C.
Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ 0 C 17,82
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δt hi 0 C 39,56
3.1.3.1 Nhiệt độ của dung dịch NaOH 15% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt t vào = 30 o C t ra = t sdd (P0) = 102,02 o C
Nhiệt độ dung dịch NaOH 15% đi vào thiết bị cô đặc: t đ = 102,02 o C
Nhiệt độ dung dịch NaOH đi ra ở cuối thiết bị cô đặc: t c = t sdd (P0) + 2 Δ’’ = 104,67 o C Công thức 2.15, trang 107,[4]
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức:
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20%:
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x > 20%:
C = C ht x + 4186.(1 – x) (J/kg.độ) I.44/152 [1] x: nồng độ của chất hòa tan (% khối lượng)
C ht : nhiệt dung riêng của chất hòa tan (J/kg.độ)
Với x đ = 15%, ta có: c đ = 4186.( 1- x) = 4186.(1- 0,15) = 3558,1 (J/Kg.độ)
Ta có: c Na = 26000 ( J/kg.độ) c O = 16800 (J/kg.độ) c H = 9630 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của chất hòa tan:
40 = 1310,75 (J/kg.độ) x c 0%, ta có: c c = 1310,75.0,3 + 4186.(1-0,3) = 3323,43 (J/kg.độ)
3.1.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng
VÀO Do dung dịch đầu Gđcđtđ
Do hơi ngưng trong đường ống Dct D
RA Do sản phẩm mang ra G c c c t c
Do hơi thứ mang ra W i W "
Phương trình cân bằng nhiệt:
(+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt)
nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDct D = 0
Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi)
Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là D(1)(i D '' c); W
Trong quá trình ngưng tụ, nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không lạnh hơn sau khi ngưng) Khi đó iD” – c.Ꝋ = rD = 2141 (kJ/kg), tức là nhiệt ngưng tụ của hơi đốt Giá trị này cho biết lượng nhiệt ngưng tụ giải phóng trong quá trình hóa lỏng hơi, là tham số quan trọng trong tính toán năng lượng cho hệ thống trao đổi nhiệt.
Lượng hơi đốt biểu kiến:
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
Lượng hơi đốt tiêu tốn:
= 1,179 kg hơi đốt/kg hơi thứ
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ vào buồng bốc t đ 0 C 102,201
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt tc 0 C 104,945
Nhiệt dung riêng dung dịch 15% c đ J/(kg.K) 3558,1
Nhiệt dung riêng dung dịch 30% c c J/(kg.K) 3323,43
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp Q D W 1833107,97
Lượng hơi đốt biểu kiến D kg/s 0,949
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng d kg/kg 1,179
Thiết kế thiết bị chính
3.2.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc
3.2.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Khi tốc độ của hơi nhỏ (10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Re m <
100) thì hệ số cấp nhiệt α 1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau: α 1 = 2,04A √ ∆t r
Trong đó: α 1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng
16 r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at (2141 kJ/kg)
H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h 0 = 1,5 m)
A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng t m
∆t1 = T – t vng : Hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và vách ngoài của thành thiết bị (℃)
Bảng Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m (℃) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Giá trị ∆t 1 được giả thuyết và kiểm tra bên dưới
Bảng Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị
4 = 10330,67 ( W m 2 độ) Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ:
3.2.1.2 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi
Giả sử chế độ sôi sủi bọt và quá trình là đối lưu tự nhiên.λ
Trong đó: α2, αn: Hệ số cấp nhiệt của dung dịch sôi và nước (W/m 2 độ) α n = 0,145∆t 2 2,33 P 0,5 ( W m 2 độ) V.91,tr 26, [3]
P: Áp suất tuyệt đối trên bề mặt thoáng (lấy bằng áp suất hơi thứ)
∆t 2 : Hiệu số nhiệt độ giữa vách trong của ống truyền nhiệt và dung dịch sôi (℃) ∆t 2 = t vtr − t sdd = 112,734 – 103,343 = 9,39 o C
+ c dd = 3323,425 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb)
+ c dm = 4239,686 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(Ptb)
+ dd = 1,769 Cp= 1,769.10 -3 Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(Ptb)
+ dm = 0,332.10 -3 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(Ptb)
+ dd = 1273,25 kg/m3 - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(Ptb)
+ dm = 966,74 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm(Ptb)
+ λ dd = 0,589 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(Ptb)
+ λ dm = 0,679 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(Ptb)
Với tsdd(Ptb) = 103,343 và tsdm(Ptb) = 87,822 c dm , dm , dm , λ dm : tra bảng I.249, tr 311, [2]
dd : tra bảng 4, tr 11, [1] λ dd được tính theo công thức (I.32), tr 123, [2]: dd 3
+ A – hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết, A = 3,58.10-8
+ M – khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O
M = a.M NaOH + (1 – a).M H2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol a là phần mol của dung dịch NaOH
Xem nồng độ NaOH trong dung dịch là 30% (x c ) a x c
= 3342,8 ( W m 2 độ) Nhiệt tải riêng của dung dịch: q 2 = α 2 Δt 2 = 3342,8 9,391 = 31393,3 (W/m 2 )
3.2.1.3 Nhiệt tải riêng phía thành thiết bị
Trong hệ thống trao đổi nhiệt, công thức q được cho bởi q = 1/Σr (t_vng − t_vtr) = (1/r_c1 + λ δ+ 1/r_c2) (t_vng − t_vtr) Trong đó Σr là tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt (m^2·°C/W) r_c1 là nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt Chọn nước có chất lượng trung bình: r_c1 = 1.
Để tính nhiệt trở và thiết kế ống truyền nhiệt, cần các tham số như nhiệt trở của dung dịch sôi có lớp cặn dày 0,5 mm (r_c2 = 0,387×10^-3 m^2·K/W, tra bảng VI.1/4 [3]) và nhiệt trở tổng được tra bảng liên quan (ví dụ 0,3448×10^-3 m^2·K/W) Vật liệu làm ống truyền nhiệt được chọn là thép không gỉ X18H10T với hệ số dẫn nhiệt λ = 16,3 W/m·K (tra bảng XII.7/313 [1]) Bề dày ống được chọn δ = 2×10^-3 m Δt_v = t_vng − t_vtr là chênh lệch nhiệt độ giữa hai vách, dùng để tính lưu lượng và hiệu suất trao đổi nhiệt của hệ.
Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt: Σr = 0,3448.10 -3 + 0,002
16,3 + 0,387.10 -3 = 0,8545.10 -3 (m 2 K/W) Với quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên q v = q 1 = q 2 = 32024,9 (W/m 2 )
3.2.1.4 Nhiệt tải riêng trung bình
Nhiệt tải riêng trung bình: q tb = q 1 +q 2
Kiểm tra lại giả thuyết Δt 1 thỏa mãn khi:
Vậy sai số có thể chấp nhận được
3.2.1.5 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K
K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt:
3.2.1.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt
799,69 39,557 = 57,95 m 2 Chọn F = 63 m 2 ( Theo bảng VI.6 Trang 82 [3] )
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng t v1 0 C 139,8
Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi t v2 0 C 84,388
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 W/(m 2 K) 10330,62
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α 2 W/(m 2 K) 3342,8
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 r 1 (m 2 K)/W 0.3448.10 3 Nhiệt trở phía dung dịch r 2 (m 2 K)/W 0,387.10 -3
Hệ số truyền nhiệt tổng quát K W/(m 2 K) 799,69
Nhiệt tải riêng trung bình q tb W/m 2 31709.13
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F m 2 63
Tính toán kích thước thiết bị cô đặc
3.3.1 Tính kích thước buồng đốt
Tính số ống truyền nhiệt theo công thức III-49/134 [4]:
F = 63 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt d – đường kính của ống truyền nhiệt chọn d = dt = 25 mm bảng VI.6 Trang 82 [3]
Số ống truyền nhiệt là : n = 63
Theo bảng V.11, trang 48, Sổ tay QTTB tập 2, chọn số ống là : 613 ống, trong đó số ống trên đường xuyên tâm là 27 ống
3.3.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm Để xày ra tuần hoàn tự nhiên liên tục trong buồng đốt, đường kính ống tuần hoàn được xác định sao cho tiết diện ngang của ống bằng 25% đến 35% tổng tiết diện của các ống truyền nhiệt ( Chọn 30%) Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:
3.3.1.3 Đường kính buồng đốt Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (5.10), trang 192 [5]
Với: t: bước ống, t= .d n = 1,4.0,029 = 0,0406 m α = 60 o – góc ở đỉnh của tam giác đều ϕ : hệ số sử dụng vỉ ống, thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9 Chọn ϕ = 0,8
3,14.0,8 + (0,4 + 2.0,0435) 2 = 1,355 (m) Dựa theo đường kính tiêu chuẩn cho vỏ buồng đốt, Chọn D t = 1,4m
3.3.1.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Phân bố 613 ống truyền nhiệt được phân bố hình lục giác đều như sau:
Số ống trên đường trung tâm 27
Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 547
Số ống trong các hình viên phân 66
Tổng số ống của thiết bị 613
Trong thiết kế này, ta cần thay thế các ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng một ống tuần hoàn ở tâm Điều kiện để thực hiện việc thay thế được suy ra từ công thức V.140, trang 49, tài liệu tham khảo [3].
Chọn b = 9 ống, ống theo bảng V.11, trang 48, [3] Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 9 ống trên đường xuyên tâm
Số ống truyền nhiệt cần được thay thế: n = 3
Số ống truyền nhiệt còn lại: n’ = 613 – 61 = 552 ống
Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:
3.3.2 Tính kích thước buồng bốc
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc: w w
W – Suất lượng hơi thứ ( kg/h)
w= 0,3743 – Khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc p 0 = 0,6275 at ( tra bảng I.251, trang 314, [2])
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc: w w 2 2 2
Tốc độ lắng Được tính theo công thức 5.14, trang 326 [5] w 0 w
l = 967,61 kg/m 3 : Khối lượng riêng của giọt lỏng ở t sdm (p 0 ) = 86,5 o C
w= 0,3743 – Khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc p 0 = 0,6275 at d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m ( trang 292, [5])
: Hệ số trở lực, tính theo Re:
Với: w : = 0,012.10-3 Pa.s – độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,6275 at
Vận tốc của hơi thứ trong buồng bốc không được quá 70 – 80% vận tốc lắng do đó:
Chọn D b = 1800 mm, theo tiêu chuẩn trang 19, [5]
Vậy đường kính buồng bốc là D b = 1800 mm
Cường độ bốc hơi thể tích cho phép được tính theo công thức VI.33, trang 72, [3]
Utt(1at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép ở áp suất xác định P = 1 at
Utt(1at) = 1600 ~ 1700 m 3 /(m 3 h) f – hệ số hiệu chỉnh, suy ra từ hình VI.3, trang 72, Sổ tay QTTB tập 2 ta có f = 1,1
Chiều cao buồng bốc được tính theo công thức VI.33, trang 72, [3]
Nhằm mục đích an toàn, chọn H b = 2m
3.3.3 Tính kích thước các ống dẫn Đường kính trong tính toán của các ống dẫn của thiết bị cô đặc dung dịch NaOH được tính theo công thức VI.41, trang 74, [3]:
G– lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s ω – vận tốc dòng chảy của lưu chất, m/s ρ – khối lượng riêng của lưu chất, kg/m 3
Vật liệu làm ống dẫn là thép X18H10T Kích thước thực tế của các ống dẫn được chọn theo kích thước chuẩn (bảng XIII.26, trang 409, [3])
Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 15% ở 102 o C), Chọn = 1,5m/s (trang 74, [3])
Tháo liệu chất lỏng ít nhớt ( dung dịch NaOH 30% ở 105,52 oC) , chọn =1m/s
Dẫn hơi nước bão hòa với áp suất 4at, chọn = 20m/s (trang 74, [3]) ρ = 0,4718 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 315, [2])
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 0,6275 at Chọn v = 20 m/s(trang 74, [3]) ρ = 0,3473 kg/m 3 (tra bảng I.251, trang 314, [2])
3D = 0,3165 Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 4 at Chọn v = 0,75 m/s(trang 74, [3])
3.3.3.6 Ống dẫn khí không ngưng
3.3.4 Bảng kết quả Đường kính Chiều cao
TÍNH BỀN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH
Tính bền cho thân thiết bị
4.1.1 Tính bền cho thân buồng đốt
Sơ lược về cấu tạo:
- Buồng đốt có đường kính trong: D t = 1,4m, chiều cao H = 1,5 m
- Vật liệu chế tạo là thép X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt
Chọn kiểu hàn hồ quang một phía có tấm lót với hệ số bền mối hàn φ h = 0,9
4.1.1.1 Tính bề dày của thân buồng đốt
+ Hơi đốt đi vào là nước bão hòa ở pD = 4 at nên thiết bị chịu áp suất trong Do đó, áp suất làm việc của buồng đốt: p m = p D – p a = 4 – 1 = 3 (at) = 0,294 (N/mm 2 )
Thiết bị chứa dung dịch NaOH đòi hỏi chú ý đến áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng Áp suất thủy tĩnh được tính bằng công thức P = ρ g h, trong đó ρ là mật độ của dung dịch NaOH, g là gia tốc trọng trường và h là chiều cao của cột chất lỏng từ mặt dung dịch đến điểm đo Việc tính toán đúng áp suất thủy tĩnh giúp đảm bảo an toàn vận hành, ngăn ngừa quá áp và chọn vật liệu chịu áp lực phù hợp.
+ ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t T là [σ]* = 115 (N/mm 2 )
Chọn hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 ( có bọc cách nhiệt), (trang 17, [6])
ứng suất cho phép được tính theo công thức I-9, trang 17, [5]
+ Tra bảng 2.12, trang 34, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, modun đàn hồi của vật liệu ở t T = 162,9 oC là: E = 2,05.10 5 (N/mm 2 )
bề dày tối thiểu thân buồng đốt được tính theo (công thức 5-3, trang 96, [6])
Dựa theo bảng 5-1, trang 94, [6], với đường kính trong buồng đốt Dt = 1000 mm, ta xác định bề dày tối thiểu Smin = 4 mm Ta nhận thấy S’ < Smin, nên chọn S’ = Smin = 4 mm Đồng thời chọn hệ số ăn mòn hóa học Ca = 1.
Vật liệu được xem là bền cơ học C b = C c =0
Chọn hệ số bổ sung C 0 = 0,4 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, Sổ tay QTTB tập 2)
Hệ số bổ sung bề dày là: C = C a + C b + C c + C 0 = 1 + 0 + 0 + 0,4 = 1,4 (mm)
+ Kiểm tra lại bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [6]
+ kiểm tra áp suất tính toán cho phép ở bên trong thân buồng đốt theo công thức 5-11, trang 97, [6]
Vậy bề dày của thân buồng đốt S = 6 mm Đường kính ngoài của buồng đốt: Dn = D t + 2.S = 1400 + 2.6 = 1412 mm
4.1.1.2 Tính bền cho các lỗ ở thân buồng đốt Đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức 8.2, trang 162, [6] :
D t = 1400mm: Đường kính trong của buồng đốt
S = 6: Bề dày của buồng đốt
31 k: Hệ số bền của lỗ được tính theo công thức 8-2 trang 162
So sánh với các ống dẫn trên thân buồng đốt, ta có: ống dẫn hơi đốt có đường kính d0 mm lớn hơn dmax; ống dẫn nước ngưng có đường kính d mm nhỏ hơn dmax; ống dẫn khí không ngưng có đường kính 40 mm và nhỏ hơn dmax.
Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, dùng bạc tăng cững với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày của thân buồng đốt ( 6mm)
4.1.2 Tính bền cho thân buồng bốc
Sơ lược về cấu tạo:
- Buồng bốc có đường kính trong là 1800 mm, chiều cao H=2m = 2000 mm
- Vật liệu chế tạo là thép X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt
Chọn kiểu hàn hồ quang một phía có tấm lót với hệ số bền mối hàn φ h = 0,9
4.1.2.1 Tính bề dày thân buồng bốc
+ Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên thiết bị chịu áp suất ngoài Do đó,áp suất làm việc của buồng bốc:
P b = p m = 2.p a – p 0 = 2.1 – 0,6275 = 1,3725at = 1,3725.0,098 = 0,1345 (N/mm 2 ) Với p a là áp suất khí quyển
+Nhiệt độ hơi thứ ra là t sdm (P 0 ) = 86,5 oC.Thiết bị có bọc lớp cách nhiệt nên nhiệt độ tính toán của thân buồng bốc:
+ Theo hình 1.2, trang 16, [6]: ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t T = 106,5 oC là:
Chọn hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 ( có bọc cách nhiệt), (trang 17, [6])
ứng suất cho phép được tính theo công thức I-9, trang 17, [6])
+ Modul đàn hồi của vật liệu ở t T là: E = 2,05.10 5 (N/mm 2 )
Chọn hệ số an toàn khi chảy η c = 1,65 Khi đó, giới hạn chảy của vật liệu làm thân được tính theo công thức 1-9, trang 17, [6]) t
+ Bề dày tối thiểu thân buồng bốc được tính theo công thức 5-14, trang 98 ,[6]
Dựa theo bảng 5-1, trang 94, [6], với đường kính trong buồng bốc Dđt = 14800 mm, chọn bề dày tối thiểu
Ta thấy: S’ > S min , do đó chọn S’ = 7,45mm
Với S′ = 7,45 mm, tra bảng XIII.9, trang 364, [3], chọn C 0 = 0,8 mm
Hệ số bổ sung bề dày: C= C a + C b + C c + C 0 = 1 + 0 + 0 + 0,8 = 1,8 (mm)
+ Kiểm tra lại bề dày buồng bốc:
Kiểm tra lại với hai điều kiện theo công thức 5-15 và công thức 5-16, trang 97, [6]
+ kiểm tra áp suất ngoài cho phép của thânbuồng bốc theo công thức 5-19, trang 9, [6]
Vậy bề dày của thân buồng bốc S b = 10 mm Đường kính ngoài của buồng bốc: D bn = D b + 2.S b = 1800 + 2.10 = 1820 mm
4.1.2.2 Tính bền cho các lỗ ở thân buồng bốc Đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức 8-2, trang 162, [6]
Hệ số bền lỗ được tính theo công thức 8-2, trang 162, [6]
So sánh: Ống nhập liệu S@ mm < d max
Kính quan sát d 0 mm > d max
dùng bạc tăng cứng cho kính quan sát với bể dày khâu tăng cứng bằng bề dày của thân buồng bốc (10 mm)
4.1.2.3 Tính toán phần nón cụt nối giữa buồng đốt và buồng bốc
Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là H g = 45mm
Chiều cao của phần nón cụt nối giữa buồng đốt và buồng bốc:
Tính bền cho nắp thiết bị
4.2.1 Sơ lược về cấu tạo
Lựa chọn sơ bộ kích thước của nắp thiết bị ellipse
- Đường kính trong: D at = D bt = 1800 mm
- Vật liệu chế tạo là thép X18H10T
- Chọn kiểu hàn hồ quang một phía có tấm lót với hệ số bền mối hàn φ h = 0,9
- Nắp chịu áp suất ngoài: P n = 1,3725 at = 0,1345 N/mm 2
-Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là t t = 86,5 + 20 = 106,5 o C (nắp có bọc lớp cách nhiệt)
- Chọn bề dày tính toán nắp S = 10 mm, bằng với bề dày thực của buồng bốc
E x = 218,22 với:x – tỉ số giới hạn đàn hồi của vật liệu làm nắp với giới hạn chảy của nó ở nhiệt độ tính toán, đối với thép không gỉ, chon x = 0,7
Từ đó, áp suất ngoài cho phép được tính theo công thức 6-13, trang 127, [6]:
với:[σ n ] – ứng suất nén cho phép của vật liệu, N/mm 2 β – hệ số hiệu chỉnh
Dựa theo bảng 1-6, trang 14, [6], chọn hệ số an toàn khi nén η B = 2,6 Khi đó, ứng suất nén cho phép của vật liệu được tính theo công thức 1-9, trang 17,
Vậy bề dày của nắp ellip là S a = 10mm
4.2.2.2 Tính bền cho các lỗ Ở nắp chỉ có ống dẫn hơi thứ nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức 8-3, trang 162, [6]: max 2 0,8 ( )
- S mm – bề dày đáy thiết bị; mm
- S’ =7,45 mm – bề dày tính toán tối thiểu của đáy; mm (chọn theo cách tính của buồng bốc)
- C a – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm
- D t – đường kính trong của nắp; mm max
So với đường kính ống dẫn hơi d = 400 mm, lớn hơn 101,87 mm Vì vậy cần sử dụng bạc tăng cứng cho ống dẫn hơi với bề dày khâu tăng cứng là 10 mm.
Tính bền cho đáy thiết bị
4.3.1 Sơ lược về cấu tạo
Lựa chọn sơ bộ kích thước của đáy thiết bị hình nón( bảng XIII.21 trang 394, [3])
- Đường kính trong: Dđt = 1,4m = 1400 mm
- Chọn kiểu hàn một phía có hệ số bền mối hàn là: φ =0,9
4.3.2.1 Tính bề dày của đáy thiết bị Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong P0 = 0,6275 at
→ Đáy nón chịu áp suất ngoài Áp suất làm việc của đáy: P m = 1 – 0,6275 = 0,3725 at = 0,3725.0,098 = 0,0365 (N/mm 2 ) Áp suất tính toán được tính theo công thức:
P m : Áp suất làm việc của đáy thiết bị ρ dd – khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi, ρ dd = 1273,25 kg/m 3
Với Hop là chiều cao mực chất lỏng tính theo kính quan sát mực chất lỏng, được tính theo công thức 2.20, trang 108, [7] dd 0
→Áp suất tính toán: Pbtt = P m + ρ hh g.H = 0,0365 + 1273,25.9,81.2,303.10 -6
= 0,065 N/mm 2 Nhiệt độ tính toán: t đtt = t c + 20 = 105 + 20 = 125 oC
Chọn bề dày sơ bộ của đáy bằng với bề dày thực của thân buồng đốt S đ = 6 mm Lực tính toán P nén đáy được tính theo công thức 6-27, trang 133, [6]
Lực nén chiều trục cho phép được tính theo công thức 6-28, trang 133, [6]
Khi đó, nội suy từ bảng 6-4, trang 134, [6] ta có: K c = 1,23
P đ = 0,065 N/mm 2 Hệ số an toàn khi chảy η c = 1,65
Giới hạn chảy của vật liệu: c t = η c [σ]* = 1,65.120 = 198 N/mm 2
40 Đường kính tính toán 𝐷′ được tính theo công thức 6-29, trang 133, [6]:
0,870,17 ( thỏa) Áp suất ngoài cho phép được tính theo công thức 5-19, trang 99, [6]
=0,149 N/mm 2 Điều kiện ổn định của đáy nón được xác định theo công thức 6-31, trang 134, [6]:
Vậy bề dày đáy nón S = 6mm
4.3.2.2 Tính bền cho lỗ ở đáy thiết bị
41 Ở đáy chỉ có ống tháo liệu nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức 8-3, trang 162, [6]: max 2 0,8 ( )
So sánh với đường kính ống tháo liệu: d@ mm < 73,3 mm
Vậy không cần tăng cứng cho các ống tháo liệu ở đáy thiết bị
Tính bu long và mặt bích
4.4.1 Sơ lược về cấu tạo
- Bu long chế tạo từ thép CT3, mặt bích được làm bằng thép X10H18T
- Mặt bích được dùng để nối nắp của thiết bị với buồng bốc, buồng bốc với buồng đốt và buồng đốt với đáy của thiết bị
4.4.2 Chọn mặt bích và bu lông
4.4.2.1 Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt
- Buồng đốt và buồng bốc được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 1400 mm
- Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,313 N/mm 2
- Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,1345 N/mm 2
→Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py=0,6 N/mm 2
Tra bảng XIII.27, trang 419, [3], ta được kết quả:
N/mm 2 mm mm mm cái
4.4.2.2 Mặt bích nối buồng bốc với nắp
- Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng bốc Dt = 1800 mm
- Áp suất tính toán của buồng bốc và nắp cùng là 0,1345 N/mm 2
→Chọn dự phòng áp suất trong thân là P y =0,3 N/mm 2
Tra bảng XIII.27, trang 419, [3], ta được kết quả:
N/mm 2 mm mm mm cái
4.4.2.3 Mặt bích nối buồng đốt với đáy
- Buồng đốt và đáy được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 1400 mm
- Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,313 N/mm 2
- Áp suất tính toán của đáy là 0,065 N/mm 2
→Chọn dự phòng áp suất trong thân là P y =0,3 N/mm 2
Tra bảng XIII.27, trang 419, [3], ta được kết quả:
N/mm 2 mm mm mm cái
Tính vỉ ống
4.5.1 Sơ lược về cấu tạo
- Vỉ ống hình tròn phẳng được làm bằng thép X18H10T, lắp cứng với thân của buồng đốt
- Áp suất tính toán được lấy như điều kiện của buông đốt với P t =0,313 N/mm 2
- ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t T là [σ]* = 118 (N/mm 2 )
- Chọn hệ số an toàn khi uốn là η B = 2,6 Bảng 1-6, trang 14 [6]
- Ứng suất nén cho phép của vật liệu được tính theo công thức 1-9, trang 17, [σ] u = 2,6 [σ]* = 2,6.118 = 306,8 (N/mm 2 )
Bề dày tối thiểu phía ngoài vỉ ống được tính theo công thức 8-47, trang 181, [6]
D dt : Đường kính trong của buống đốt
K: Hệ số trong khoảng 0,028 : 0,36 , chọn K=0,3
P đ : Áp suất tính toán trong ống, N/mm 2
[σ] u : Ứng suất uốn cho phép của vật liệu, N/mm 2
Bề dày tối thiểu ở giữa vỉ ống được tính theo công thức 8-48, trang 181, [6]:
K: Hệ số trong khoảng 0,45 : 6 , chọn K = 0,5
𝜑 0 : Hệ số làm yếu vỉ ống do khoang lỗ
D d : tổng đường kính các lỗ trên vỉ (ống truyền nhiệt ( 13 hình lục giác ) và ống tuần hoàn trung tâm)
Kiểm tra bền vỉ ống Ứng suất uốn trong vỉ ống được tính theo công thức 8-53, trang 183, [6]
Trong đó: d n = 29mm : Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
2 0,0435 = 0,038 m Hình 8-14, trang 182, [6] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều với bước ống t = 0,0435m
Với h’= 36mm, ta bảng XIII.9 trang 364 [3]
Khi đó bề dày thực của vỉ ống: h = h’ + C = h’ + C a + C 0 = 36 + 1 + 1,1 = 38,1 mm
Tính toán tai treo
- Khối lượng tai treo cần chịu: m= m tb + m dd
Tổng khối lượng thép làm thiết bị được tính bằng tổng các thành phần cấu thành và được biểu diễn bằng công thức: m_tb = m_đ + m_n + m_bb + m_bd + m_c + m_vỉ + m_ống_TN + m_ống_TH + m_bích + m_bu_lông + m_ốc Trong đó m_đ là khối lượng thép làm đáy và m_n là khối lượng thép làm nắp; các thành phần còn lại lần lượt là m_bb, m_bd, m_c, m_vỉ, m_ống_TN, m_ống_TH, m_bích, m_bu_lông và m_ốc.
Trong bài viết, các khối lượng thép cho các thành phần của hệ thống được ghi nhận như sau: m_bb là khối lượng thép làm buồng bốc; m_bd là khối lượng thép làm buồng đốt; m_c là khối lượng thép làm phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt; m_ống_TN là khối lượng thép làm ống truyền nhiệt; m_ống_TH là khối lượng ống làm ống tuần hoàn trung tâm.
Khối lượng riêng của thép không gỉ X18H10T là ρ 1 = 7900 kg/m 3
Khối lượng riêng của thép CT3 là ρ 2 = 7850 kg/m 3
Buồng đốt được làm bằng thép không gỉ X18H10T
Bề dày buồng đốt S = 6mm Đường kính ngoài buồng đốt D n = 1412mm Đường kính trong của buồng đốt: D t = 1400 mm
Chiều cao buồng đốt: H= 1500 mm
Thể tích thép làm buồng đốt: V bđ = ( 2 2 ) .(1412 2 1400 ).1500 2
Khối lượng thép làm buồng đốt: m bđ = ρ 1 V bđ = 7900 0,0397 = 313,895 kg
Buồng bốc được làm bằng thép không gỉ X18H10T
Bề dày buồng bốc: Smm Đường kính trong buồng bốc D t = 1800 mm Đường kính ngoài buồng bốc D n = 1820 mm
Chiều cao buồng bốc H 00 mm
Thể tích thép làm buồng bốc : V bb = ( 2 2 ) .(1,82 2 1,8 ).2 2
→ Khối lượng thép làm buồng bốc: m bb = ρ 1 V bb = 7900.0,114 = 897,97 kg
4.6.1.3 Phần nón cụt nối giữa buồng bốc và buồng đốt
Phần nón cụt được chế tạo bằng thép không gỉ X10H8T, với đường kính trong lớn bằng buồng kính buồng bốc: D_tl = 1800 mm, D_nl = 1820 mm Đường kính trong nhỏ của phần nón bằng với đường kính buồng đốt: D_tn = 1400 mm, D_nn = 12 mm.
Bề dày của phần hình nón cụt (không có tính gờ) bằng bề dày buồng bốc là S mm
Bề dày của phần gờ nón cụt bằng bề dày buồng đốt : S g = 6mm
Chiều cao của gờ cón cụt: H g = 45mm
Chiều cao của hình nón: H n = 245 mm
Thể tích thép làm hình nón cụt ( có gờ):
12 D nl D D nl nn D nn D tl D D tl tn D tn H nc 4 D dn D dt H g
→Khối lượng thép làm hình nón cụt: m c = ρ 1 V c = 7900 0,0136 = 107,26 kg
Nắp ellipse được làm bằng thép không gỉ X10H8T
Nắp ellipse có : Đường kính trong Dt = 1800mm
Tra bảng XIII.11, trang 384, [3], ta có
Khối lượng nắp ellipse đối với thép cacbon: 183 kg
→Khối lượng nắp ellipse làm bằng thép không ghỉ: mn = 1,01.183 = 184,83 (kg)
4.6.1.5 Đáy nón Đáy nón được làm bằng thép không ghỉ X18H10T Đáy nón có: Đường kính trong D t = 1400mm
Tra bảng XIII.11, trang 394, [3], ta có
Khối lượng đáy nón làm bằng thép không gỉ: m đ = 1,01.166 = 167,66(kg)
4.6.1.6 Ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt Ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt được làm bằng thép không gỉ X18H10T
Số ống tuần hoàn: n th = 61 ống
Số ống truyền nhiệt còn lại: n tn = 552 ống Đường kính trong ống tuần hoàn: D th = 0,4m
49 Đường kính trong ống truyền nhiệt: D tn = 0,025 m
V ống = V ống TN + V ống TH
Khối lượng ống: m= ρ 1 V ống = 7900 0,144 = 1139 kg
Mặt bích được làm từ thép CT3
Thiết bị có 6 mặt bích:
- 2 Mặt bích nối nắp với buồng bốc
- 2 Mặt bích nối buồng đốt với buồng bốc
- 2 Mặt bích nối buồng đốt với đáy
Thể tích thép làm mặt bích nối nắp với buồng bốc:
Thể tích thép làm mặt bích nối buồng đốt với đáy:
Thể tích thép làm mặt bích nối buồng bốc với buồng đốt:
Tổng thể tích làm mặt bích:
Khối lượng thép làm mặt bích: m bích = ρ 2 V = 7850 0,0726 = 570,19 kg
Vỉ ống được chế tạo từ thép không gỉ X18H10T
Bề dày vỉ ống: S vỉ = 0,04 m Đường kính trong của vỉ ống: Dt vỉ = 1,4m Đường kính ngoài ống truyền nhiệt: d n = 0,029 m Đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm: D ntt = 0,404 m
Thể tích thép làm vỉ ống:
Khối lượng thép làm vỉ ống: m vỉ = ρ 1 V vỉ = 7900 0,0837 = 661,11 kg
4.6.1.9 Bu lông và đai ốc
Bu lông được chế tạo từ thép CT3
Tổng số bu lông ở 6 mặt bích: 128 cái, ốc M24 Đường kính bu lông : D =1,7.d b = 1,7 0,024 =0,0408 m
Chiều cao phần bu lông không chứa lõi: H= 0,8.d b = 0,8.0,024 = 0,0192 m
Chiều cao phần đai ốc: h’ = 0,8.d b = 0,8.0,024 = 0,0192 m
Chiều cao phần lõi bu lông: h’’ = h+2 = 24 + 2= 26 mm = 0,026 m
Kích thước phần ren trống: h’’’ = 9mm
Khối lượng làm bu lông: m bu lông = V’ ρ 2 128 = 4,96.10 -5 7850.128 = 49,83 kg
Đai ốc Đai ốc được chế tạo từ thép CT3
Chiều cao đai ốc: h’ =0,8.d b = 0,8.0,024 = 0,0192 m Đường kính trong của đai ốc: dt =1,4.d b = 1,4 0,024 =0,0408 m Đường kính ngoài của đai ốc: d n = 1,15.d t =1,15.0,0408 = 0,03864 m
Khối lượng đai ốc: m ốc = V’’ ρ 2 128 = 5,49.10 -6 7850.128 = 5,51 kg
Chi tiết Loại thép Khối lượng, kg
Nắp ellipse X18H10T 184,83 Đáy nón X18H10T 167,66 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm
Bu lông CT3 49,83 Đai ốc CT3 5,51
Tổng khối lượng thiết bị: m tb = 3419,86 kg
Thể tích dung dịch trong thiết bị:
V dd = V đ nón cụt + V dd ống + V dd đáy
V dd đáy = 0,622 m 3 Bảng XIII.21, trang 394, [3]
Thể tích dung dịch trong các ống:
= 0,594 m 3 Thể tích dung dịch trong phần nón cụt nối giữa buồng đốt với buồng bốc:
12 D dt D bt D D dt bt H nc 4 D H dt g
Tổng thể tích dung dịch trong thiết bị: V =0,622 + 0,594 + 0,564 = 1,780 m 3
Khối lượng riêng lớn nhất có thể có của dung dịch là khối lượng riêng ở nồng độ 30 % và nhiệt độ t sdd(po) : ρ ddmax = ρ dd (30 %, 102 o C) = 1273,25 kg/m 3
→Khối lượng dung dịch lớn nhất: m dd max = V dd ρ ddmax = 1,780 1273,25 = 2267,39 kg
Khối lượng tai treo cần chịu: m= m tb + m dd = 3419,86 + 2267,39 = 5687,25 kg
Chọn 4 tai treo thẳng đứng được chế tạo từ thép CT3 Khi đó, tải trọng trên 1 tai treo:
Các thông số của tai treo được chọn từ bảng XIII.36, trang 438, [3]:
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ
Tính toán thiết bị gia nhiệt
Chọn thiết bị gia nhiệt dạng ống chum, thẳng đứng, dung dịch đi phía trong ống, hơi bão hòa đi phía vỏ
Lựa chọn các thông số của thiết bị gia nhiệt:
- Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu: t 0 = 30 o C
- Áp suất hơi bão hòa: P D = 4at
- Suất lượng dung dịch: G đ = 5795 kg/h
- Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH 15% : c đ = 3558,1 J/kg.độ
- Vật liệu chế tạo là thép X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt
Lựa chọn các thông số của ống truyền nhiệt:
- Bề dày của ống δ = 2 mm
- Đường kính ngoài của ống dn = 29 mm
- Vật liệu làm ống là thép X18H10T
- Bố trí ống theo hình lục giác đều
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Trong hơi nước bão hòa luôn có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo 𝜑 = 0,05 (độ ẩm của hơi)
Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt có thể bỏ qua (𝜑.𝐷 𝑐𝑛 𝜃 ≈ 0)
Như vậy, nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp: Q D = D(1 - φ)(iD – c.θ)
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào nên iD – c.θ
Trong bài toán trao đổi nhiệt, nhiệt lượng tổn thất ra môi trường thường được ước lượng bằng 3–5% nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp, nên ta đặt Q_tt = ε·Q_D với tỉ lệ nhiệt tổn thất ε = 0,05 Nhờ sự thay thế này, phương trình cân bằng nhiệt lượng có thể được rút gọn thành một dạng đơn giản hơn, giúp đánh giá hiệu suất truyền nhiệt một cách trực quan và thuận tiện cho việc tính toán.
Nhiệt lượng do hơi bão hòa cung cấp Q D = 0,214.(1-0,05).2141 = 435,3 kW
5.1.2.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Để bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào, cần giảm tốc độ hơi đốt bằng cách chia luồng vào thành nhiều miệng vào nhằm phân phối dòng khí đều hơn và giảm tác động lên thành ống Việc này giúp tăng độ bền của hệ thống truyền nhiệt và cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt Trong thiết kế, ta chọn tốc độ hơi đốt 𝜔 = 10 m/s để tối ưu sự phân phối và giảm thiểu tổn thất áp suất.
Hệ số cấp nhiệt từ phía hơi ngưng được tính theo công thức α 1 = 2,04A √ ∆t r
Trong đó: α 1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at (2141 kJ/kg)
H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h 0 = 1 m)
A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng t m
Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài t v1 = 140,1 o C
Bảng Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m (℃) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng : q 1 = α 1 Δt 1 = 11730,13 2,8 = 32844,36 W/m 2
5.1.2.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi
Chất lỏng sôi nhẹ và chuyển động cưỡng bức nên hệ số cấp nhiệt này được tính theo các công thức của đối lưu cưỡng bức
Sau khi tính lặp, chọn t v2 = 110,3 o C
Các thông số hóa lý của dung dịch NaOH 15%:
Trong đó: λ: Hệ số dẫn nhiệt, tra bảng I.130, trang 135, [2] ρ: Khối lượng riêng, tra bảng 4, trang 11, [1] c: Nhiệt dung riêng, tra bảng I.154, trang 172, [2] μ: Độ nhớt động lực học, tra bảng I.107, trang 100, [2]
Chọn tốc độ của dung dịch NaOH 15 % trong ống truyền nhiệt là v = 1 m/s Đường kính trong của ống truyền nhiệt là d = 25 mm
= 21124,2 > 1000 Áp dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt khi dòng chảy rối trong ống (Re > 10000)
0, 025 l d = 40 → Hệ số hiệu chỉnh Ꜫ = 1,02 (bảng V.2, trang 15, [Sổ tay QTTB tập 2]
Nhiệt tải riêng trung bình: q tb = 1 2 32844,
Hệ số tuyền nhiệt tổng quát được tính theo công thức V.5 trang 3 [3]
Trong đó, r1 = 0,3448×10^-3 m^2·K/W là nhiệt trở phía hơi nước qua vách ngoài của ống có màng nước ngưng mỏng (theo bảng 31, trang 29, [1]); r2 = 0,387×10^-3 m^2·K/W là nhiệt trở của dung dịch sôi có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm (tra bảng VI.1/4, [3]).
59 δ= 3mm = 0,003 m: Bề dày ống truyền nhiệt λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [3] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)
Hiệu số nhiệt độ trung bình: max min max min
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức 5.26, trang 333, [5]:
Số ống truyền nhiệt của buồng đốt được tính theo công thức:
Theo bảng V.11, trang 48, [3], chọn số ống n = 91 và bố trí ống theo hình lục giác đều Đường kính trong của thiết bị gia nhiệt được tính theo công thức V.140, trang 49, [3]:
Trong đó: d n = d t + 2.S = 0,025 + 2.0,003 = 0,031 m : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
Bb : số ống trên đường xuyên tâm
Tính toán thiết bị ngưng tụ baromet
5.2.1 Lựa chọn thiết bị ngưng tụ
- Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm
+ Dung môi dễ bay hơi
- Khí bổ sung này cần được giải phóng để tạo môi trường chân không cho thiết bị
Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) để tối ưu quá trình ngưng tụ Trong hệ thống này, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy từ trên xuống dưới, khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phận tách lỏng.
- Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng áp suất trong thiết bị và cột áp thuỷ tĩnh bằng với áp suất khí quyển
5.2.2 Tính toán thiết bị ngưng tụ
- Chọn nhiệt độ không khí bên ngoài là : t = 25 o C
- Độ ẩm tương đối φ = 80% Theo giản đồ không khí ẩm , h s,3 KJ/kg kk ẩm
- Nhiệt độ đầu của nước lạnh được chọn là t 2d = 25 o C
- Nhiệt độ cuối của nước lạnh được chọn là t 2c = 85,5 – 10 = 75,5 o C
- Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng không khí cần hút được tính theo công thức VI.47, trang 84, [3]:
G n : Lượng nước được tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s , được tính theo công thức VI.51, trang 84, [3]
W = 2897,5 kg/h ; Lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ i= 2650 KJ/kg : Nhiệt lượng riêng của hơi nước (bảng I.251, trang 314, [2]) c n = 4180 J/Kg.K : Nhiệt dung riêng trung bình của nước
- Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí được tính theo công thức VI.50, trang 84, [3] t kk = t 2d + 4+ 0,1.( t 2c – t 2d ) = 25+4+0,1.(15,5 – 25 ) = 34,05 o C
→ p h = 0,055 at ( tra giản đồ h-x của không khí ẩm)
Thể tích không khí cần hút được tính theo công thức VI.49, trang 84, [3]:
Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ:
- Đường kính trong của thiết bị được tính theo công thức VI.52, trang 84, [3]:
62 ρh = 0,359 kg/m 3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở 0,6 at (tra bảng I.251, trang 314, [3]) ω h = 20 m/s – tốc độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ (chọn)
Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet được chọn theo bảng VI.8, trang 88, [3]:
Kích thước Ký hiệu Giá trị ; mm Đường kính trong của thiết bị D tr 500
Chiều dày của thành thiết bị S 5
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị a 0 1300 Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến nắp thiết bị a n 1200
Bề rộng của tấm ngăn b -
Khoảng cách giữa tâm của thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi K 1 675
Chiều rộng của hệ thống thiết bị T 1300 Đường kính của thiết bị thu hồi D 1 400
Chiều cao của thiết bị thu hồi h 1 (h) 1440 Đường kính của thiết bị thu hồi D 2 - Đường kính của các cửa ra và vào
Hỗn hợp khí và hơi ra d 3 80
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d 5 80
Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi d 6 50 Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet d 7 50 Ống thông khí d 8 -
Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức VI.53, trang 85, [3]:
Có nhiều lỗ nhỏ được đục trên tấm ngăn, nước làm nguội là nước sạch nên đường kính lỗ được chọn là d = 2 mm
- Lưu lượng thể tích của nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ:
Nhiệt độ trung bình của nước:
- Chọn chiều cao gờ tấm ngăn là h = 40 mm, chiều dày tấm ngăn là δ = 4 mm, tốc độ của tia nước là ω c = 0,62 m/s
- Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên một cặp tấm ngăn là:
Chọn chiều dày tấm ngăn 4 mm Các lỗ xếp theo hình lục giác đều
Với c tb f f : tỉ số giữa tổng diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ
- Chiều cao thiết bị ngưng tụ:
Mức độ đun nóng nước được tính theo công thức VI.56, trang 85, [3]:
Tra bảng VI.7, trang 86, [3] với d = 2 mm và P = 0,835:
+ Khoảng cách giữa các ngăn h = 400 mm
+ Thời gian rơi qua một bậc τ = 0,41 s
Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần
Do đó, khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn
Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 400 mm
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1300 mm
Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị là 1200 mm
Chiều cao phần gờ của nắp là 50 mm
Chiều cao phần nắp ellipse là 125 mm
Chiều cao phần đáy nón là 175 mm
→ Chiều cao thiết bị ngưng tụ: H = 125 + 50 + 1300 + 400.7 + 1200 + 175 = 5650 mm
Chọn đường kính trong của ống baromet là d = 100 mm = 0,1 m
Tốc độ của nước lạnh và nước ngưng tụ chảy trong ống baromet được tính theo công thức VI.57, trang 86, [3]:
Chiều cao ống baromet được tính theo công thức
Chiều cao cột nước của ống baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ h1; giá trị này được tính theo công thức VI.59, trang 86, trong tài liệu tham khảo [3].
Trong đó: b – độ chân không trong thiết bị ngưng tụ; mmHg
+ Chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống h2 được tính theo công thức VI.60, trang 87, [3]:
Chọn hệ số trở lực khi vào ống ξ 1 = 0,5 và khi ra khỏi ống ξ 2 = 1 = 1,5 Nước lạnh và nước ngưng tụ có:
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15/381 [Sổ tay QTTB tập 1]):
→ Độ nhám tuyệt đối: Ꜫ = 0,2 mm
Re gh được tính theo công thức II.60/378 [2]:
Re n được tính theo công thức II.62/379 [2]:
→ Regh < Re < Re n (khu vực quá độ)
→ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64/380 [2]: λ = 0,1 (1,46.ε d+100
Chọn chiều cao dự trữ h 3 = 0,5 m để đề ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường ống dẫn hơi khi áp suất khí quyển tăng
Chọn chiều cao của đoạn ống baromet ngập trong bể nước là h 4 = 0,5 m
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ t c oC 85,5 Áp suất p c t 0,6
Nhiệt độ đầu vào t 2d oC 25
Nhiệt độ đầu ra t 2c oC 75,5
Lưu lượng khối lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ G n Kg/s 10,09 Áp suất hơi nước bão hòa p h at 0,056
Lưu lượng thể tích không khí được hút ra khỏi thiết bị m3/s 0,0138
Nhiệt độ oC 34,05 ĐƯỜNG KÍNH TRONG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
Khối lượng riêng của hơi thứ Kg/m3 0,359
Tốc độ của hơi thứ m/s 20 Đường kính trong mm 500
Chiều rộng tấm ngăn 300 Đường kính lỗ trên tấm ngăn 2
CHIỀU CAO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
Mức độ đun nóng nước 0,835
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị 1300
Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị 1200
Tốc độ nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống 1,39 Đường kính trong của ống 100 Độ chân không 319
Hệ số trở lực vào 0,5
Hệ số trở lực ra 1
Khối lượng riêng của nước lạnh và nước ngưng 987,75 Độ nhớt động học 0,000543
Chiều cao của cả thiết bị là ΣH = H + H’ = 5,65 + 6 = 11,65 m
Bồn cao vị được dùng để ổn định lưu lượng của dung dịch nhập liệu, giúp điều tiết dòng chảy và giảm dao động trong quá trình cấp liệu Bồn được đặt ở độ cao phù hợp nhằm vượt qua các trở lực của đường ống và cao hơn mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc, từ đó đảm bảo cấp liệu liên tục và hiệu quả cho quá trình cô đặc.
- Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bồn cao vị) và 2 – 2 (mặt thoáng của nồi cô đặc):
+ ρ = 1171,97 kg/m 3 – khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15 % ở ttb = 66,1 o C
+ μ = 0,00165 Ns/m 2 – độ nhớt động lực của dung dịch NaOH 15 % ở ttb (bảng I.107, trang 100, [2])
5.2.3.1 Tính toán hệ số ma sát và hệ số trở lực cục bộ
Tốc độ dung dịch ở trong ống được tính theo công thức VI.41 trang 74 , [2]: dd 2 2
Vật liệu là t hép CT3 có độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm, ta được: Re gh = 7289,343,
Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64/380 [2]: λ = 0,1 (1,46.ε d+100
Trên đường ống dẫn có 6 co 90°, 2 van, 1 đầu vào và 1 đầu ra, tổng hệ số trở lực được tính như sau:
5.2.3.2 Tính toán chiều cao của bồn cao vị
Chiều cao cột áp hao phí:
Khoảng cách từ mặt thoáng dung dịch ở bồn cao vị đến mặt đất:
Vậy khoảng cách từ mặt thoáng dung dịch ở bồn cao vị đến mặt đất là 14m
Bơm
Công suất của bơm chân không:
Chỉ số đa biến có giá trị từ 1,2 đến 1,62 và ta chọn m = 1,62 p1 là áp suất không khí trong thiết bị ngưng tụ, được tính bằng p1 = pc − ph = 0,6 − 0,056 = 0,544 atm Ph là áp suất hơi nước trong hỗn hợp, và p2 = pa = 1 atm = 9,81×10^4 N/m^2, tức là áp suất khí quyển.
V kk : lưu lượng thể tích không khí cần hút η ck = 0,8: hệ số hiệu chỉnh
Tốc độ hút ở 0℃ và 760 mmHg là S = 0,01.60 = 0,6 m 3 /phút
Ta chọn bơm có ký hiệu là BH-025-2 với các thông số:
Tốc độ bơm trong vùng áp suất 760 – 1 mmHg (L/s) 0,25
Công suất động cơ (kW) 0,18
Kích thước tổng thể dài x rộng x cao (mm) 330 x 243,5 x 229
5.3.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ
H: cột áp của bơm (m) η: hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75 ρ = 996,66 kg/m 3 – khối lượng riêng của nước ở 25℃
Q: lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ (m 3 /s)
Q =G n ρ = 10,09 996,66= 0,01 m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 - 1 (mặt thoáng của bể nước) và 2 – 2 (mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ):
Trong bài toán động lực học chất lỏng này, các điều kiện biên cho vận tốc cho thấy v1 = v2 = 0 m/s và áp suất tại hai điểm là p1 = 1 atm, p2 = 0,6 atm, cho thấy sự chênh lệch áp suất được xác định bởi quá trình dòng chảy ngưng tụ Độ nhớt động lực của nước ở 25°C được cho là μ = 0,000874 Ns/m² (bảng I.249/310 [2]) Khoảng cách z1 = 2 m là khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất, còn z2 = 12 m là khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất.
Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là l = 13 m
Tốc độ của dòng chảy trong ống: v = Q πd 2 4
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15/381 [2]) → độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm
Re gh được tính theo công thức II.60/378 [1]:
Re n được tính theo công thức II.62/379 [1]:
→ Re gh < Re < Re n (khu vực quá độ)
→ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64/380 [1]: λ = 0,1 (1,46.ε d+100
Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1
Tổng tổn thất trên đường ống: h 1−2 = v 2
Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn Ký hiệu bơm là K
5.3.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị
1000 η (kW) H: cột áp của bơm (m) η: hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75 ρ = 1126,3 kg/m 3 – khối lượng riêng của dung dịch nhập liệu
Q = 0,0014 m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 - 1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) và 2 – 2 (miệng ống nhập liệu):
Trong hệ thống dẫn dung dịch NaOH 15% ở nhiệt độ 30°C, vận tốc dung dịch tại hai mặt cắt ống được cho bởi v1 = 0 và v2 = v (vận tốc tại mặt hút và mặt đẩy lần lượt), và áp suất tại hai mặt cắt là p1 = p2 = 1 atm Độ nhớt động học của dung dịch NaOH 15% ở 30°C là μ = 0,002375 Ns/m^2 Tổng tổn thất trong ống được ký hiệu h1-2 (đơn vị m) Khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu đến mặt đất là z1 = 2 m, và từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là z2 = 3,5 m Chọn đường kính hút và đẩy bằng d_hút = d_đẩy = 50 mm = 0,05 m để tính toán và thiết kế hệ thống.
Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa lên bồn cao vị là l = 7m
Tốc độ của dòng chảy trong ống:
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ( bảng II.15, trang 381, [2]) , độ nhám tuyệt đối Ꜫ = 0,2 mm
Re gh được tính theo công thức II.60, trang 378, [2]
Re n được tính theo công thức II Trang 379, [QTTB tập 1]:
Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [2]
= 0,0328 ξ: tổng hệ số tổn thất cục bộ
Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξ vào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1
Van cửa ξvan 1,5 2 ξ = ξv + 3 ξkhúc quanh 90º + 2ξvan + ξ ra = 0,5 + 3.1 + 2.0,5 + 1 = 7.5 l, d: chiều dài, đường kính ống nối bơm (m)
Tổn thất trong đường ống
Suy ra công suất của bơm:
H: cột áp của bơm (m) η: hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75 ρ = 1272,51 kg/m 3 – khối lượng riêng của dung dịch NaOH 30% ở 104,66℃
Q: Lưu lượng thể tích của dung dịch NaOH 30% được tháo khỏi nồi cô đặc; m 3 /s
Q = 0,000632 m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1-1 ( mặt thoáng của bể nước) và 2-2 ( mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ)
Với Hđ là chiều cao đáy nón, μ = 0,00175 Ns/m2 là độ nhớt động học của dung dịch NaOH 30% ở 104,66 oC (bảng I.101, trang 91, [ 2 ]); z1 = 1m là khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất, và z2 = 3,5 m là khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa sản phẩm đến mặt đất.
Chọn chiều dài đường ống từ đáy nón đến bồn chứa sản phẩm là l = 5m
Tốc độ của dòng chảy trong ống:
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381,[2]) ⇒ độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm
Re gh được tính theo công thức II.60, trang 378, [2]
Re n được tính theo công thức II Trang 379, [QTTB tập 1]:
Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [2]
Các hệ số trở lực cục bộ
Yếu tố gây trở lực Kí hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξ vào 0,5 1
Tổng tổn thất trên đường ống: