ĐỒ án THIẾT kế kỹ THUẬT hóa học THIẾT kế THIẾT bị cô đặc NaOH một nồi LIÊN tục có ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG tâm

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi cấu tử dễ bay hơi h

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

-o0o -

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: TS Nguyễn Thị Lê Liên

SVTH : Nguyễn Thị Hồng Thắm

MSSV : 1915212

L ớp : HC19HLY

TP.HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2022

Trường ĐH BK – ĐHQG TP HCM

Khoa Kỹ thuật Hóa học

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT

HÓA HỌC

(MSMH: CH4007)

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Hồng Thắm MSSV: 1915212

Ngành: K ỹ thuật Hóa Lý và phân tích L ớp: HC19HLY

3.3 Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ

3.4 Tính toán công nghệ thiết bị chính

3.5 Tính toán kết cấu thiết bị chính

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2022

MỤC LỤC

L ỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 2

1.1 Nhi ệm vụ đồ án 2

1.2 Gi ới thiệu về nguyên liệu 2

1.3 Khái quát v ề cô đặc 2

1.3.1 Định nghĩa 2

1.3.2 Các phương pháp cô đặc 3

1.3.2.1 Phương pháp nhiệt ( đun nóng) 3

1.3.2.2 Phương pháp lạnh 3

1.3.2.3 Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt 3

1.3.3 Ứng dụng của quá trình cô đặc 4

1.4 Thi ết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt 4

1.4.1 Phân loại 4

1.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 5

1.5 L ựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaOH 6

CHƯƠNG II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 7

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 7

2.2 Thuy ết minh quy trình công nghệ 7

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 8

3.1 Cân b ằng vật chất và năng lượng 8

3.1.1 Cân bằng vật chất 8

3.1.1.1 Dữ kiện ban đầu 8

3.1.1.2 Cân b ằng vật chất 8

3.1.2 Tổn thất nhiệt độ 8

3.1.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ 8

3.1.2.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng 9

3.1.2.3 T ổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh 10

3.1.2.4 Tổng tồn thất nhiệt độ 11

B ẢNG KẾT QUẢ 11

3.1.3 Cân b ằng năng lượng 12

3.1.3.1 Nhi ệt độ của dung dịch NaOH 15% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt 12

3.1.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng 13

3.1.3.3 Bảng kết quả 15

3.2 Thi ết kế thiết bị chính 15

3.2.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 15

3.2.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 15

3.2.1.2 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi 17

3.2.1.3 Nhi ệt tải riêng phía thành thiết bị 19

3.2.1.4 Nhiệt tải riêng trung bình 19

3.2.1.5 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K 20

3.2.1.6 Di ện tích bề mặt truyền nhiệt 20

3.2.1.7 Bảng kết quả 20

3.3 Tính toán kích thước thiết bị cô đặc 21

3.3.1 Tính kích thước buồng đốt 21

3.3.1.1 S ố ống truyền nhiệt 21

3.3.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm 21

3.3.1.3 Đường kính buồng đốt 22

3.3.1.4 Ki ểm tra diện tích truyền nhiệt 22

3.3.2 Tính kích thước buồng bốc 23

3.3.2.1 Đường kính buồng bốc 23

3.3.2.2 Chiều cao buồng bốc 25

3.3.3 Tính kích thước các ống dẫn 26

3.3.3.1 Ống nhập liệu 26

3.3.3.2 Ống tháo liệu 26

3.3.3.3 Ống dẫn hơi đốt 27

3.3.3.4 Ống dẫn hơi thứ 27

3.3.3.5 Ống dẫn nước ngưng 27

3.3.3.6 Ống dẫn khí không ngưng 28

3.3.4 B ảng kết quả 28

CHƯƠNG IV TÍNH BỀN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 28

4.1 Tính b ền cho thân thiết bị 28

4.1.1 Tính bền cho thân buồng đốt 28

4.1.1.1 Tính bề dày của thân buồng đốt 28

4.1.1.2 Tính b ền cho các lỗ ở thân buồng đốt 30

4.1.2 Tính bền cho thân buồng bốc 31

4.1.2.1 Tính bề dày thân buồng bốc 31

4.1.2.2 Tính b ền cho các lỗ ở thân buồng bốc 34

4.1.2.3 Tính toán phần nón cụt nối giữa buồng đốt và buồng bốc 34

4.2 Tính b ền cho nắp thiết bị 34

4.2.1 Sơ lược về cấu tạo 34

4.2.2 Tính toán 35

4.2.2.1 Bề dày thực 35

4.2.2.2 Tính bền cho các lỗ 36

4.3 Tính b ền cho đáy thiết bị 38

4.3.1 Sơ lược về cấu tạo 38

4.3.2 Tính toán 38

4.3.2.1 Tính bề dày của đáy thiết bị 38

4.3.2.2 Tính bền cho lỗ ở đáy thiết bị 40

4.4 Tính bu long và m ặt bích 41

4.4.1 Sơ lược về cấu tạo 41

4.4.2 Chọn mặt bích và bu lông 41

4.4.2.1 M ặt bích nối buồng bốc và buồng đốt 41

4.4.2.2 M ặt bích nối buồng bốc với nắp 42

4.4.2.3 Mặt bích nối buồng đốt với đáy 42

4.5 Tính v ỉ ống 43

4.5.1 Sơ lược về cấu tạo 43

4.5.2 Tính toán 43

4.6 Tính toán tai treo 45

4.6.1 Kh ối lượng thiết bị 45

4.6.1.1 Bu ồng đốt 46

4.6.1.2 Buồng bốc 46

4.6.1.3 Phần nón cụt nối giữa buồng bốc và buồng đốt 47

4.6.1.4 N ắp ellipse 47

4.6.1.5 Đáy nón 48

4.6.1.6 Ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt 48

4.6.1.7 Mặt bích 49

4.6.1.8 V ỉ ống 50

4.6.1.9 Bu lông và đai ốc 50

4.6.2 Kh ối lượng dung dịch 52

4.6.3 Tính toán tai treo 53

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ 54

5.1 Tính toán thi ết bị gia nhiệt 54

5.1.1 Cân bằng nhiệt lượng 54

5.1.2 Tính toán truy ền nhiệt 55

5.1.2.1 H ệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 55

5.1.2.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 56

5.2 Tính toán thi ết bị ngưng tụ baromet 60

5.2.1 L ựa chọn thiết bị ngưng tụ 60

5.2.2 Tính toán thi ết bị ngưng tụ 60

5.2.3 Bồn cao vị 69

5.2.3.1 Tính toán hệ số ma sát và hệ số trở lực cục bộ 69

5.2.3.2 Tính toán chi ều cao của bồn cao vị 70

5.3 Bơm 70

5.3.1 Bơm chân không 70

5.3.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 71

5.3.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị 74

5.3.4 Bơm tháo liệu 76

K ẾT LUẬN 80

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 81

L ỜI NÓI ĐẦU

quá trình và thiết bị của công nghệ hoá học Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng

Đề tài mà em nhận được là “Thiết kế thiết bị cô đặc NaOH một nồi liên tục với năng suất nhập liệu 5000 l/h, nồng độ nhập liệu 15% khối lượng, nồng độ sản phẩm 30% khối lượng Sử dụng thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm.”

Em xin cảm ơn TS Nguyễn Thị Lê Liên, bộ môn Quá trình và Thiết bị - khoa Kỹ thuật

quá trình em thực hiện đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong

bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ, cung cấp cho em những kiến thức bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, do đây là đề tài lớn nên có thể có nhiều thiếu sót

và hạn chế trong quá trình thực hiện, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp và chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Nhi ệm 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

1.2 Gi ới thiệu về nguyên liệu

- Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 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 hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều

dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín

- Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH - Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và lâu năm Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn

1.3 Khái quát v ề cô đặc

1.3.1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch

chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh

1.3.2 Các phương pháp cô đặc

1.3.2.1 Phương pháp nhiệt ( đun nóng)

suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Một số dung dịch không chịu được nhiệt độ cao do có thể làm biến đổi tính chất sản phẩm nên đòi hỏi phải được cô đặc ở nhiệt độ thấp tương ứng với nhiệt độ ở mặt thoáng thấp → đó là phương

pháp cô đặc chân không

1.3.2.2 Phương pháp lạnh

Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở

1.3.2.3 B ản 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 các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn

tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

1.3.3 Ứng dụng của quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất hòa tan (trường hợp này có kèm theo 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 cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao

Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

1.4 Thi ết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt

1.4.1 Phân loại

 Theo cấu tạo

này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua

bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

+ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền

khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:

+ 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

dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy

1.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

Thiết bị gia nhiệt, Thiết bị ngưng tụ baromet, Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị, Bơm tháo

suất…

1.5 L ựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaOH

buồng đốt trong, có ống tuần hoàn trung tâm vì những ưu điểm sau: cấu tạo đơn giản, dễ

cọ rửa và sữa chữa, phù hợp với dung dịch có độ nhớt khá lớn như NaOH Ngoài ra, làm việc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng

CHƯƠNG II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Bản vẽ A1 kèm theo

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

- Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi

đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi

- Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn

Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung

nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng chảy ra ngoài

- Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống

và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng chảy ra ngoài Tại đây, dung dịch được cô đặc đến nồng độ 30% khối lượng Hơi thứ của thiết bị cô đặc được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần hơi còn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 3.1 Cân bằng vật chất và năng lượng

- Áp suất hơi bão hòa: P = 4at

3.1.1.2 Cân bằng vật chất

 Suất lượng đầu ra: (Gc)

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là Pc = 1 – 0,4 = 0,6 at

 Nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tc = 85,5 oC Bảng I.251, tr 314, [2]Chọn tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ

môi ở áp suất khí quyển

Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 30 %

 tsdd (P0) = tsdm (P0) +  ' = 86,5 + 15,52 = 102,02 oC

3.1.2.3 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh

Δ’’ = tsdd(Ptb) – tsdd(P0) = tsdm(Ptb) – tsdm(P0)

Ta có: Áp suất ở lớp chất lỏng trung bình:

Ptb=P0+∆P=P0+0,5ρhh gHop

9,81.104 (at) ρhh = ½ ρdd

Chiều cao thích hợp của dung dịch sôi trong ống truyền nhiệt tính theo kính quan sát mực chất lỏng:

Trong đó:

H: chiều cao ống truyền nhiệt (m) – Chọn H = 1,5 m Bảng VI.6, tr 80,[3]

P0: 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/s2)

Ptb=P0+∆P=P0+0,5ρhh gHop

9,81.104 = 0,6275 + 0,5.636, 625.9,81.1, 0564

9,81.10 = 0,661 ( at)

 tsdm(Ptb) = 87,82 oC Bảng I.251, tr 314, [2] Suy ra: Δ’’ = tsdm(Ptb) – tsdm(P0) = 87,82– 86,5 = 1,32 oC

Ẩn nhiệt hóa hơi r Kj/kg 2293,25 HƠI

3.1.3 Cân bằng năng lượng

3.1.3.1 Nhiệt độ của dung dịch NaOH 15% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt

tvào = 30oC

tra = tsdd (P0) = 102,02 oC

Nhiệt độ dung dịch NaOH đi ra ở cuối thiết bị cô đặc:

tc = tsdd (P0) + 2 Δ’’ = 104,67 oC Công thức 2.15, trang 107,[4]

Nhi ệt 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%:

C = 4186.(1 – x) (J/kg.độ) I.43/152 [1]

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

Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan (J/kg.độ)

3.1.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo

Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là D(1)(i D'' c); W

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì iD” – c.Ꝋ = rD = 2141 (KJ/kg) (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

3.2 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 (Rem < 100) thì hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau:

α1 = 2,04A √4 ∆tr1H(mW2.độ) Bảng tra V101, tr 28, [3]

Trong đó:

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at (2141 kJ/kg)

A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm

Giá trị ∆t1 được giả thuyết và kiểm tra bên dưới

B ảng Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành

thi ết bị

T(℃)

Δt1 (℃)

tvng

H (m)

α1 (W/m2.độ)

q1 (W/m2)

 α1 = 2,04 194,405 √4 21410003,1.1,5 = 10330,67 (mW2.độ)

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ:

q1 = α1 ∆t1 = 10330,67 3,1 = 32025,08 (W/m2)

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

+ 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)

+ λdm = 0,679 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(Ptb)

+ A – hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng

Đối với chất lỏng liên kết, A = 3,58.10-8

a là phần mol của dung dịch NaOH

Xem nồng độ NaOH trong dung dịch là 30% (xc)

q2 = α2 Δt2 = 3342,8 9,391 = 31393,3 (W/m2)

3.2.1.3 Nhiệt tải riêng phía thành thiết bị

Công thức

q =Σr1 (tvng− tvtr) = (r1

c1+λδ+r1

c2) (tvng− tvtr) Trong đó:

rc1: nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt

chọn nước có chất lượng trung bình: rc1 = 29001 = 0,3448.10-3 m2.K/W, tra bảng 32/30 [1]

rc2: nhiệt trở dung dịch sôi có lớp cặn bẩn dày 0,5mm (rc2 = 0,387.10-3 m2.K/W, tra bảng VI.1/4 [3]

λ: hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ) Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không gỉ X18H10T: λ = 16,3 W/m.độ, tra bảng XII.7/313 [1]

Δtv = tvng− tvtr : Chênh lệch nhiệt độ giữa hai vách

 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 (m2.K/W) Với quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên

qv = q1 = q2= 32024,9 (W/m2)

 Δtv = qv Σr = 32024,9 0,8545.10 -3 = 27,37 ( oC)

3.2.1.4 Nhiệt tải riêng trung bình

Nhiệt tải riêng trung bình:

qtb = q1 +q2

2 = 33024,92+31393,3

Kiểm tra lại giả thuyết Δt1 thỏa mãn khi:

max(q1, q2) 100% < 5%

Suy ra : ∆q = |32025,08−31393,3|32025,08 100% = 1,972 % < 5%

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:

3.3 Tính toán kích thước thiết bị cô đặc

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]:

4

;

t th

Dựa theo đường kính tiêu chuẩn cho vỏ buồng đốt, Chọn Dt = 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 truyền nhiệt còn lại: n’ = 613 – 61 = 552 ống

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

( tra bảng I.251, trang 314, [2])

4

d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m ( trang 292, [5])

Chọn Db = 1800 mm, theo tiêu chuẩn trang 19, [5]

Kiểm tra lại Re:

Re = 25,632

1,8 = 7,91 ( thỏa 0,2 <Re<500)

Vậy đường kính buồng bốc là Db = 1800 mm

3.3.2.2 Chiều cao buồng bốc

Cường độ bốc hơi thể tích cho phép được tính theo công thức VI.33, trang 72, [3] Utt = f.Utt (1at)

b

V H

D

  



Trong đó:

G– lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s

ω – vận tốc dòng chảy của lưu chất, m/s

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])

ρ = 0,4718 kg/m3 (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/m3(tra bảng I.251, trang 314, [2])

ρ = 923,461 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [2] )

CHƯƠNG IV TÍNH BỀN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

4.1 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: Dt = 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 φh = 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:

+ Thiết bị chứa dung dịch NaOH, do đó cần chú ý đến áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng Lúc này, áp suất tính toán được tính theo công thức:

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,

Dựa theo bảng 5-1, trang 94, [6] với đường kính trong buồng đốt Dt = 1000 mm,

Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca = 1

Vật liệu được xem là bền cơ học Cb = Cc =0

Chọn hệ số bổ sung C0 = 0,4 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, Sổ tay QTTB tập 2)

Vậy bề dày của thân buồng đốt S = 6 mm

Đường kính ngoài của buồng đốt: Dn = Dt + 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] :

3 max 3, 7. t.( a).(1 )

Trong đó:

Dt = 1400mm: Đường kính trong của buồng đốt

S = 6: Bề dày của buồng đốt

k: Hệ số bền của lỗ được tính theo công thức 8-2 trang 162

Ống dẫn nước ngưng; d =40 mm < dmax

ống dẫn khí không ngưng: d = 40 mm < 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 φh = 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:

Với pa là áp suất khí quyển

+Nhiệt độ hơi thứ ra là tsdm (P0) = 86,5 oC.Thiết bị có bọc lớp cách nhiệt nên nhiệt

độ tính toán của thân buồng bốc:

tt = 86,5 + 20 = 106,5 (oC)

+ Theo hình 1.2, trang 16, [6]: ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu

ở tT = 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])

Chọn hệ số an toàn khi chảy ηc = 1,65 Khi đó, giới hạn chảy của vật liệu làm thân được tính theo công thức 1-9, trang 17, [6])

Chọn S = 10 (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]

Vậy bề dày của thân buồng bốc Sb = 10 mm

Đường kính ngoài của buồng bốc: Dbn = Db + 2.Sb = 1800 + 2.10 = 1820 mm