Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho 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 d
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT
Nhiệm vụ của đồ án
Thiết kế thiết bị cô đặc 1 nồi gián đoạn (từ 15% lên 50%) không buồng đốt ngoài, năng suất nhập liệu 1500kg/mẻ.
Tính chất nguyên liệu và sản phẩm
1.2.1 Đặc tính của đường saccharose:
Saccharose, đường mía, đường củ cải, đường kính C12H22O11 Công thức cấu tạo sau:
Hình 1.1 Cấu tạo hóa học của đường saccharose
Saccharose rất phổ biến trong giới thực vật, đặc biệt chiếm tỷ lệ cao trong cây mía (14-20%), trong củ cải đường (16-20%)
Saccharose dễ tan trong nước và kết tinh thành tinh thể lớn dạng A có nhiệt độ nóng chảy 185°C; khi kết tinh từ dung dịch methanol, nó tạo thành tinh thể B với nhiệt độ nóng chảy 170°C Trong dung dịch nước, saccharose làm quay cực sang phải và nồng độ của nó có thể được xác định bằng phân cực kế hoặc đường kế Tuy nhiên, saccharose khó tan trong rượu ethylic và không có tính khử do cấu tạo không chứa nhóm -OH hemiacetal tự do, khiến nó không phản ứng với phản ứng tráng gương, dung dịch Fehling hay phenylhidrazin.
Saccharose rất dễ thủy phân trong môi trường acid hay ngay cả với acid yếu nhất như
H2O + CO2 tạo thành D - fructose Do D - fructose cho quay trái mạnh, còn saccharose và
D-Glucose có gốc quay phải yếu, sau khi thủy phân trong dung dịch trở thành dạng quay trái ([α] = -20°), hiện tượng này được gọi là sự nghịch đảo đường Ngoài ra, saccharose cũng có thể bị thủy phân dưới tác dụng của enzyme như enzyme saccharase, giúp phân giải đường thành các thành phần đơn giản hơn.
Saccharose có khả năng tạo thành các hợp chất saccharide kim loại kiềm thổ với canxi, như saccharat calci (C12H22O11.CaO.2H2O), có khả năng hòa tan trong nước Nhờ đặc tính này, quá trình tinh chế saccharose bằng nước vôi (Ca(OH)2) được thực hiện hiệu quả Sau khi loại bỏ tạp chất, dung dịch saccharose được xử lý bằng khí CO2 để tạo kết tủa CaCO3, giúp loại bỏ các tạp chất còn lại Cuối cùng, quá trình lọc, cô đặc và tách kết tủa cho ra sản phẩm saccharose tinh khiết với độ tinh sạch cao.
Nhiệt độ khi dung dịch đạt 50%: 66,833 o C
Khái quát cô đặc và quá trình cô đặc
Cô đặc là phương pháp phổ biến để tăng nồng độ của một cấu tử trong dung dịch Quá trình này thường sử dụng để tách các cấu tử dựa trên độ bay hơi của chúng, bằng cách loại bỏ phần dung môi dễ bay hơi hơn Tùy thuộc vào tính chất của cấu tử, quá trình cô đặc có thể thực hiện bằng phương pháp nhiệt hoặc làm lạnh kết tinh để đạt hiệu quả tối ưu.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung dịch qua dạng hơi
1.3.2 Bản chất của sự cô đặc 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
Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu do các bọt khí hình thành khi cấp nhiệt và chuyển động liên tục của nguyên liệu Chênh lệch khối lượng riêng giữa các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc, giúp nâng cao hiệu quả quá trình Việc tách không khí và lắng keo (protit) đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự hình thành bọt khí không mong muốn, đảm bảo chất lượng sản phẩm cô đặc.
1.3.3 Ứng dụng của cô đặc
− Trong sản xuất thực phẩm: Cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây
− Trong sản xuất hóa chất: Cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ
Hiện nay, các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm chủ yếu sử dụng thiết bị cô đặc để đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn một cách hiệu quả Thiết bị cô đặc không chỉ giúp tăng cường quá trình sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và giảm thiểu hao hụt trong quá trình chế biến Việc ứng dụng công nghệ cô đặc hiện đại đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa quy trình sản xuất và đáp ứng yêu cầu thị trường ngày càng cao.
1.3.4 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt là quá trình chuyển đổi dung môi từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, xảy ra khi nhiệt làm tăng năng lượng của phân tử Quá trình này xảy ra dưới tác dụng của nhiệt và được điều chỉnh bởi áp suất riêng phần của dung môi bằng với áp suất tác dụng lên mặt thoáng của chất lỏng Hiểu rõ cơ chế này giúp kiểm soát quá trình bay hơi và ứng dụng trong các lĩnh vực như lọc, chưng cất và sản xuất công nghiệp.
Phương pháp lạnh là quá trình hạ thấp nhiệt độ xuống mức nhất định để tách các cấu tử dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường bằng cách kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Tùy thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng, quá trình kết tinh có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, đôi khi cần sử dụng máy lạnh để thực hiện hiệu quả.
1.3.5 Các thiết bị cô đặc
1.3.5.1 Phân loại và ứng dụng a) Theo cấu tạo
Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhóm 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 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu
Trang 12 điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch 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
Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho 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 b) Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc chân không thích hợp cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dễ bị phân hủy nhiệt, giúp giảm tác động của nhiệt độ cao đến thành phần dung dịch Phương pháp này còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, từ đó giảm bề mặt truyền nhiệt hiệu quả Ngoài ra, nhiệt độ sôi thấp của dung dịch trong quá trình cô đặc chân không cho phép tận dụng nhiệt thừa từ các quá trình sản xuất khác hoặc sử dụng hơi thứ, góp phần tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển, còn gọi là áp suất dư, thường được áp dụng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao, như dung dịch muối vô cơ Quá trình này giúp tạo ra hơi thứ từ dung dịch để sử dụng trong các quá trình công nghiệp khác, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
Cô đặc hơi thứ ở áp suất khí quyển thường không sử dụng hơi thứ mà thải trực tiếp ra ngoài không khí, đây là phương pháp đơn giản nhưng có hiệu quả kinh tế thấp.
Cô đặc nhiều nồi giúp tiết kiệm hơi đốt, nhưng số lượng nồi không nên quá lớn để duy trì hiệu quả tiết kiệm Phương pháp cô đặc chân không, cô đặc áp lực hoặc kết hợp cả hai được sử dụng để tối ưu hóa quá trình cô đặc Ngoài ra, hơi thứ có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống.
Cô đặc liên tục mang lại hiệu quả tốt hơn so với cô đặc gián đoạn và có thể được điều khiển tự động, mặc dù hiện tại chưa có cảm biến đáng tin cậy để thực hiện điều đó Trong mỗi nhóm thiết bị, có thể thiết kế buồng đốt trong hoặc ngoài, với hoặc không có ống tuần hoàn, Tùy thuộc vào điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư để tối ưu hóa quá trình.
Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch đường
Ý nghĩa đề tài
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc để cô đặc dung dịch đường thành syrup, phục vụ cho quá trình phối trộn nguyên liệu hoặc bán thành phẩm Mặc dù chỉ là hoạt động nhỏ, việc cô đặc dung dịch đường đóng vai trò cực kỳ quan trọng và liên quan chặt chẽ đến sự vận hành của nhà máy Với sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm, việc nâng cao hiệu quả của thiết bị cô đặc dung dịch đường trở thành một yếu tố bắt buộc để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Trang 16 những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó yêu cầu được đặt ra cho chúng em là phải có kiến thức chắc và đa dạng, chủ động khám phá các nguyên lý mới để thiết kế một thiết bị cô đặc đáp ứng yêu cầu trong tương lai
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Thuyết minh quy trình
Chuẩn bị: Hòa tan hoàn toàn đường trong nước tạo thành dung dịch đường để chuẩn bị cho quá trình cô đặc
➢ Biến đổi của nguyên liệu: Độ nhớt dung dịch đường tăng, tỷ trọng tăng, đường chuyển pha từ rắn sang lỏng
➢ Thiết bị và thông số công nghệ:
Thiết bị khuấy trộn có cánh khuấy mái chèo gồm một thùng khuấy và cánh khuấy dạng bản mỏng (flat blade) gắn vào, giúp tăng hiệu quả trộn đường Saccharose một cách đồng đều và nhanh chóng Cấu tạo của thiết bị đặc trưng với thiết kế đơn giản, dễ vận hành và bảo trì, phù hợp cho các quá trình sản xuất liên tục Sử dụng cánh khuấy mái chèo đảm bảo hòa trộn tối ưu, giảm thiểu thời gian, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đường Saccharose.
Trang 18 trục khuấy Tốc độ quay của cánh khuấy thường tương đối thấp, khoảng 20-150rpm Với thiết bị loại này, các phần tử chất lỏng thường được chuyển động tròn quanh trục và chuyển động ly tâm là chính, còn chuyển động theo phương thẳng đứng là rất ít
Nhiệt độ phối trộn từ 40-60 o C để tăng hiệu suất quá trình hòa tan
Hình 2.1 Thiết bị phối trộn các cánh khuấy mái chèo
Syrup thường được chuẩn bị sẵn để phục vụ cho quá trình sản xuất tiếp theo, như việc thêm syrup saccharose vào quá trình gia nhiệt nấu sữa đậu nành nhằm tăng vị ngọt và nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.
Khai thác: Quá trình cô đặc sẽ làm tăng nồng độ của đường trong dung dịch
Quá trình cô đặc giúp giảm hàm lượng nước và tăng hàm lượng chất khô trong sản phẩm, từ đó giảm hoạt độ của nước và hạn chế sự phát triển của vi sinh vật Điều này góp phần kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm một cách hiệu quả.
Hoàn thiện: Tạo ra syrup có nồng độ 50%
Trong quá trình cô đặc, hàm lượng chất khô tăng, làm độ nhớt và tỷ trọng của nguyên liệu cũng tăng lên Tuy nhiên, khối lượng và thể tích của nguyên liệu giảm đi, đồng thời hoạt độ nước trong nguyên liệu cũng giảm rõ rệt, ảnh hưởng đến quá trình và hiệu quả của công đoạn cô đặc.
Trang 19 cũng giảm Trong suốt quá trình thì nhiệt độ sôi của nguyên liệu tăng vì nồng độ chất khô tăng theo thời gian
Hóa lý là quá trình cô đặc nhằm tách nước ra khỏi nguyên liệu thông qua chuyển pha của nước Trước khi cô đặc, nước tồn tại dưới dạng lỏng trong nguyên liệu, sau đó chuyển sang trạng thái hơi và thoát ra môi trường bên ngoài Quá trình này giúp làm giảm hàm lượng nước trong nguyên liệu, nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất.
Hóa sinh và sinh học có sự biến đổi khi cô đặc ở áp suất chân không vì nhiệt độ thấp, giúp một số enzyme và vi sinh vật chịu nhiệt vẫn có thể hoạt động Đặc biệt, các bào tử có khả năng hoạt hóa ở nhiệt độ khoảng 70°C, đảm bảo quá trình cô đặc diễn ra hiệu quả mà không làm mất đi hoạt tính sinh học của các thành phần quan trọng.
➢ Các yếu tố ảnh hưởng:
Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bão hòa và nhiệt độ sôi của nguyên liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt Khi mức chênh lệch này càng lớn, tốc độ truyền nhiệt sẽ càng cao, giúp nâng cao hiệu quả quá trình gia nhiệt Để tăng độ chênh lệch nhiệt độ này, có thể giảm nhiệt độ sôi của nguyên liệu bằng cách cô đặc trong môi trường chân không, trong đó nhiệt độ sôi phụ thuộc vào áp lực trên bề mặt dung dịch, nồng độ chất khô và chiều cao của cột thủy tĩnh trong thiết bị cô đặc Ngoài ra, độ nhớt của nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt; khi độ nhớt tăng, chỉ số Reynolds giảm, dẫn tới giảm hiệu quả truyền nhiệt.
➢ Thiết bị và thông số công nghệ: Sử dụng thiết bị cô đặc một nồi gián đoạn với 𝜌ck0,75 at và 𝜌hbh= 2,1 at
HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI GIÁN ĐOẠN
Sơ đồ hệ thống cô đặc 1 nồi gián đoạn
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc 1 nồi gián đoạn
1 Bồn chứa dung dịch 2 Bơm dung dịch 3 Bơm chân không
4 Bồn chứa sản phẩm 5.Lưu lượng kế 6 Bơm nước
7 Nhiệt kế 8 Áp kế 9 Nồi cô đặc
10 Lưu lượng kế 11 Thiết bị ngưng tụ Baromet 12.Thiết bị phân ly
Nguyên lý hoạt động
3.2.1 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm trực tiếp vào nồi cô đặc, đảm bảo quá trình diễn ra liên tục và hiệu quả Trước khi vào nồi, dung dịch được định lượng chính xác bằng lưu lượng kế và đo nhiệt độ bằng nhiệt kế để kiểm soát điều kiện quá trình Trong quá trình cô đặc, dung dịch đi qua ống nhập liệu để thực hiện việc đun nóng và bốc hơi, giúp tách tập trung các thành phần cần thiết Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng, sau đó theo ống dẫn nước ngưng chảy qua bẫy hơi để thoát ra ngoài, đảm bảo vệ sinh và hiệu quả của quá trình cô đặc.
Nguyên lý hoạt động của nồi cô đặc
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm, đảm bảo quá trình nhiệt độ được duy trì hiệu quả Dung dịch dễ dàng di chuyển qua các ống truyền nhiệt, trong khi hơi đốt (hơi nước bão hòa) tuần hoàn trong khoảng không gian trong buồng đốt, giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt và năng lượng.
Trang 21 không gian 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 hóa hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài
Nguyên lý 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 có khối lượng riêng giảm và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, hình thành dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên Trong hệ thống, thể tích dung dịch ở ống tuần hoàn lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt, dẫn đến lượng hơi sinh ra trong ống truyền nhiệt nhiều hơn Do đó, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi tại ống tuần hoàn lớn hơn và được đẩy xuống dưới, tạo ra dòng chảy tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn, đảm bảo hiệu quả trao đổi nhiệt tối ưu.
Phần trên của thiết bị là buồng bốc, có chức năng tách hỗn hợp lỏng – hơi thành hai dòng riêng biệt Hơi đi lên phía trên buồng và qua bộ phận tách giọt để loại bỏ những giọt lỏng, giúp dòng hơi sạch hơn Các giọt lỏng sau khi tách sẽ chảy xuống dưới, trong khi hơi thứ tiếp tục đi lên để được hoàn lưu hoặc xử lý tiếp Hệ thống này đảm bảo quá trình tách khí-lỏng hiệu quả, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài qua ống tháo sản phẩm vào bể chứa bằng bơm ly tâm, trong khi hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ Baromet Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng, trong khi dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị, giúp hơi gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống bể chứa qua ống Baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên, qua bộ phận tách giọt và được bơm chân không hút ra ngoài, làm giảm thể tích hơi ngưng tụ và áp suất trong thiết bị Thiết bị ngưng tụ Baromet hoạt động ổn định nhờ duy trì áp suất chân không phù hợp, yêu cầu lắp đặt ở độ cao phù hợp để nước ngưng tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng
Bơm chân không có vai trò hút khí không ngừng ra khỏi thiết bị, giúp ngăn chặn hiện tượng khí không ngừng tích tụ trong hệ thống ngưng tụ Việc này giữ áp suất trong thiết bị ổn định, tránh tình trạng tăng áp lực lớn gây ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị Đồng thời, bơm chân không còn hạn chế nước chảy ngược vào nồi cô đặc, đảm bảo quá trình vận hành diễn ra hiệu quả và an toàn hơn.
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet
Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:
+ Dung môi dễ bay hơi
Khí bổ sung trong hệ thống cần được giải phóng để tạo ra chân không tối ưu Việc kết hợp thiết bị ngưng tụ với bơm chân không là yếu tố quan trọng giúp hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất Điều này đảm bảo quá trình vận hành diễn ra trơn tru và nâng cao hiệu suất của hệ thống chân không.
Thiết bị ngưng tụ chủ yếu hoạt động để ngưng tụ hầu hết hơi nước, từ đó giải phóng lượng hơi nước lớn cho bơm chân không Việc này giúp giảm tiêu hao năng lượng cơ học và kéo dài tuổi thọ của bơm bằng cách tránh tình trạng hỏng hóc do bơm chỉ hút khí không ngưng.
Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (Baromet) đảm bảo hiệu quả làm lạnh tối ưu Trong hệ thống này, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống dễ dàng, trong khi khí không ngưng được được hút ra khỏi phần trên của thiết bị qua bộ phận tách lỏng Điều này giúp duy trì hoạt động của thiết bị ổn định và tiết kiệm năng lượng.
Chiều cao của ống Baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển
3.2.3 Hoạt động của hệ thống
Nguyên liệu nước đường nhờ bơm nhập liệu đưa vào thiết bị cô đặc ở nhiệt độ khoảng 30 o C qua cửa nhập liệu Nhập đủ 1500kg thì tiến hành cô đặc
Sau khi đã nhập liệu đủ 1500kg, quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất chân không do bơm chân không tạo ra
Hơi đốt được đưa vào buồng đốt qua ống dẫn ở áp suất 2,1 at, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống Quá trình này giúp hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi và chảy ra ngoài, giảm thiểu sự tích tụ trong hệ thống Phần khí không ngưng được sẽ thoát ra ngoài qua cửa xả khí không ngưng để duy trì áp suất và hoạt động ổn định của thiết bị.
Hơi thứ được hút qua ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, nơi chúng được làm mát và ngưng tụ thành dạng lỏng, chảy ra ngoài bồn chứa Phần khí không ngưng tụ sẽ được loại bỏ qua bộ phận tách giọt, đảm bảo chỉ còn khí sạch được hút ra ngoài bằng bơm chân không, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Toàn bộ hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân không tạo ra
Sau thời gian cô đặc đã tính, dung dịch đường được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm
− Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không, bơm nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu
− Kiểm tra độ kín của hệ thống
Khởi động bơm chân không để đạt điều kiện chân không tối ưu cho hệ thống khi lần đầu vận hành Trong quá trình này, nước trong ống Baromet sẽ từ từ dâng lên, thể hiện quá trình hút chân không diễn ra hiệu quả Chờ đến khi quá trình ổn định để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả nhất.
− Khởi động bơm nhập liệu, mở van nhập liệu cho dung dịch chảy vào thiết bị cô đặc, điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cho phù hợp
− Mở từ từ van hơi đốt
− Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Theo dõi hoạt động của thiết bị và các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn Trong trường hợp phát hiện sự cố hoặc bất thường, hệ thống sẽ tự động sẵn sàng ngưng hoạt động để phòng ngừa rủi ro và đảm bảo an toàn cho người vận hành Việc giám sát liên tục giúp duy trì hiệu quả vận hành của hệ thống và giảm thiểu thiệt hại do sự cố xảy ra.
− Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt
− Dùng bơm để tháo sản phẩm qua ống tháo sản phẩm đến khi hết thì đóng van
− Chấm dứt một mẻ cô đặc ta bắt đầu các thao tác cho một mẻ mới
TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Cân bằng vật chất
− Nồng độ nhập liệu xđ = 15% (khối lượng)
− Nồng độ sản phẩm xc = 50% (khối lượng)
− Năng suất nhập liệu Gđ = 1500 kg/mẻ
− Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,75 at
− Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa Phbh = 2,1 ati
Áp suất hơi đốt là Pd = 3,1 at
− Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30 o C
Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ (Tra bảng I.86, trang 60, [1])
4.1.2 Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
Gđ = Gc + W (Tra theo công thức 5.16, trang 293, [5])
Gđ = Gc + W (Tra theo công thức 5.16, trang 293, [5])
Gđ, Gc : lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, kg
W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg xđ, xc : nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn
Gđ.xđ, Gc.xc : khối lượng đường trong dung dịch, kg
Lượng sản phẩm ( là dung dịch đường 25%)
Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Bảng 4.1 Tóm tắt cân bằng vật chất
Thể tích dung dịch trong nồi, m 3 1,414 0,814 0,557 0,365
Khối lượng dung dịch, kg 1500 900 642,857 450
Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 600 257,143 192,857
Khối lượng riêng dung dịch, kg/m3 1061,04 1105,
Cân bằng năng lượng
4.2.1 Các tổn thất nhiệt độ Áp suất thiết bị ngưng tụ pc = pa-pck = 1- 0,75= 0,25 at
(Tra bảng I.251, trang 314, [1]) Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ sôi ( 0 C)
Dùng công thức nội suy, ta tính được nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet tại áp suất pc = 0,25 at là tc = 64,2 0 C
∆ ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆ ’’’ = 1,5 0 C (Trang 280, [5])
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: tsdm( P0) – tc = ∆ ′′′
Trong đó: tsdm( P0): Nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng)
Mà tsdm( P0) = ∆ ′′′ + tc = 1,5 + tc (theo chứng minh trên)
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ ( 0 C) Áp suất (at)
Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,7 0 C
4.2.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng ( ∆ ’)
Theo công thức Tisenco (VI.10, trang 59, [2]), ta có:
∆ ’ : Tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc
∆ 0 ′ : Tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển f: Hệ số hiệu chỉnh f = 16,2 𝑇
T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho ( 0 K) r: Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg)
Tra bảng VI.251, trang 314, [1], ta có:
Tại p0 = 0,2638 at Ta nội suy được: r = 2343,9640 (kJ/kg)
Với nồng độ đầu của dung dịch là 15% thì ∆ 0 ’ = 0,143 0 C ( Tra theo đồ thị VI.2, trang
Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ (∆ ’ ) là 0,113 0 C
Theo lý thuyết trang 58, [2]: Δ′ = tsdd(p0) - tsdm(p0)
Các nồng độ dung dịch còn lại tính tương tự :
Nhiệt độ sôi dung dịch ở Po, oC
4.2.3 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao do hiệu ứng thủy tĩnh ∆’’, gây ra tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa khối chất lỏng cần cô đặc ảnh hưởng đến điểm sôi của dung dịch, làm giảm khả năng bay hơi và tăng nhiệt độ sôi trong quá trình cô đặc Hiểu rõ ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh là yếu tố quan trọng để tối ưu quá trình cô đặc và kiểm soát nhiệt độ sôi của dung dịch.
Công thức (VI.12, trang 60, [2]): ptb = po+ (h1+ ℎ 2
Áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng dung dịch (ρdds.g) được tính bằng đơn vị N/m², trong đó po là áp suất hơi tại bề mặt dung dịch, h1 là chiều cao của lớp dung dịch sôi từ miệng trên của ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, và h2 là chiều cao của ống truyền nhiệt Các yếu tố này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt và sự vận hành của hệ thống làm lạnh hoặc bay hơi trong các ứng dụng công nghiệp Hiểu rõ mối quan hệ giữa áp suất hơi và chiều cao của lớp dung dịch giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
𝜌dd: Khối lượng riêng của dung dịch ở 15%
𝜌dds: Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m 3 ) ρdds= 0,5.ρdd = 0,5.1061,04 = 530,52 kg/m3 (Tra bảng I.86, trang 58, [1]) g: Gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Trong bài viết này, ta xác định nhiệt độ sôi của dung dịch tại các áp suất khác nhau bằng công thức: ∆" = tsdd(ptb) - tsdd(po), trong đó tsdd(ptb) là nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất p_tb, còn tsdd(po) là nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất p_o Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào áp suất, do đó cần tính toán chính xác để xác định điểm sôi của dung dịch tại điều kiện áp suất cụ thể Để tính p_tb, ta lựa chọn hệ số ℎ 1 = 0,1 m, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình xác định nhiệt độ sôi và các thông số liên quan cho các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp.
Theo công thức (VI.12, trang 60, [2]), ta có: ptb = p0 + [ (ℎ 1 +
Để tính tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất khác nhau, có thể áp dụng quy tắc Babô Theo quy tắc này, mối quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi trong dung dịch loãng (p) và áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất (p₀) ở cùng nhiệt độ là không đổi Đồng thời, mối liên hệ này không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi khi xét trong phạm vi nồng độ nhất định.
Nếu p₀ là hằng số, từ biểu thức này, khi biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở một nồng độ nhất định và áp suất tương ứng, ta có thể dễ dàng xác định nhiệt độ sôi của dung dịch ở các áp suất khác nhau Điều này giúp dự đoán chính xác nhiệt độ sôi của dung dịch trong các điều kiện áp suất đa dạng, hỗ trợ các ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu.
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ ( 0 C) Áp suất (at)
Dùng công thức nội suy, ta tính được tại nhiệt độ 65,813 o C dung môi trong dung dịch có p = 0,265 at Như vậy:
263,8Theo quy tắc Babô tỉ lệ trên vẫn giữ nguyên giá trị tại mọi nhiệt độ sôi của dung dịch
Do đó tại nhiệt độ t:
Như vậy nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc ở áp suất 0,309 at bằng nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 0,3076 at là 69,2092 0 C (Bảng I.251, trang 314, [1])
Vậy ta có: Δ’’= tsdd(ptb) - tsdd(p𝑜) = 69,2092 – 65,813 = 3,3962 ℃
Nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất ptb: Δ’’= tsdm(ptb) - tsdm(po)
Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ ⇒ ΣΔ = 0,113 +3,3962 +1,5 = 5,0092 0 C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3,1 at, tD = 133,9 0 C (Bảng I.251, trang 315, [1])
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: Δthi = tD – (tc + ΣΔ) Δthi = 133,9 – (64,2 + 5,0092) = 64,69 0 C
− Do dung dịch đầu Gđ,c đ ,t đ
− Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt φ, Dc,tD
− Do sản phẩm mang ra Gc, cc, tc
− Do hơi thứ mang ra W, i W”
Nhiệt độ của dung dịch đường 15% trước và sau khi qua thiết bị cô đặc:
Nhiệt độ của dung dịch đường 15% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 30 0 C
Nhiệt độ của dung dịch đường 50% đi ra đáy thiết bị cô đặc là tc= 66,833 0 C
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường ở các nồng độ khác nhau được (tính theo công thức I.50 trang 153 [1])
Trong đó: t: Nhiệt độ của dung dịch x: Nồng độ của dung dịch, phần khối lượng
Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg.độ 3846,839 3686,018 3486,221 3185,027
4.2.4.2 Phương trình cân bằng nhiệt
Gđ.cđ tđ + D.(1 - φ).i''D + φ.D.c.θ = Gc.cc.tc + W.i''w + D.c.θ ± Qcđ + Qtt (*)
(+ 𝑄𝑐đ ứng với quá trình thu nhiệt, − 𝑄𝑐đ ứng với quá trình tỏa nhiệt)
(*) → D.(1 - ε).(1 - φ).(i''D - c.θ)= Gđ.(cc.tc - cđ.tđ)+ W.(i''W - cc.tc) ± Qcđ
Lượng hơi đốt biểu kiến: D = 𝐺 đ (c 𝑐 t 𝑐 − c đ t đ ) + W.(𝑖 𝑤 " − c 𝑐 t 𝑐 ) ± Q 𝑐đ
D: Lượng hơi đốt sử dụng trong thiết bị cô đặc (kg/h)
QD: Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp cho thiết bị cô đặc (W)
Nhiệt cô đặc khi hòa tan dung dịch được xác định bởi nhiệt lượng Qcđ, bằng 0 khi không có quá trình nhiệt đổi Nhiệt dung riêng ban đầu và cuối của dung dịch được ký hiệu là cđ và cc, đo bằng J/kg·độ, phản ánh khả năng tích trữ nhiệt của dung dịch tại các trạng thái khác nhau Nhiệt độ ban đầu và cuối của dung dịch được ghi nhận là tđ và tc, đo bằng độ Celsius (°C), thể hiện nhiệt độ trong quá trình nhiệt cô đặc Enthalpy của hơi đốt, i''D, tính theo đơn vị J/kg, biểu thị năng lượng nhiệt của khí đốt khi tham gia quá trình Enthalpy của hơi thứ khi ra khỏi thiết bị, i''W, có giá trị là 2618.732×10³ J/kg, theo bảng I.250 trang 312 trong tài liệu tham khảo, phản ánh năng lượng nhiệt của hơi trong quá trình chuyển đổi trạng thái.
Trong các hệ thống liên quan đến nhiệt, Qt biểu thị nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh tính bằng đơn vị W, giúp đánh giá hiệu quả năng lượng của quá trình Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nhiệt độ θ o C (c, đơn vị J/kg.độ) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng tích trữ và truyền nhiệt của nước trong các quá trình làm nguội và làm lạnh Nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước bão hòa (θ, o C) là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi trạng thái của hơi thành nước lỏng Độ ẩm của hơi (φ), thường chọn giá trị 0,05, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính ổn định của hệ thống hơi nước Tỉ lệ tổn thất nhiệt (ε), cũng thường chọn 0,05, phản ánh mức độ mất mát năng lượng trong quá trình truyền nhiệt, giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống.
Trang 34 rD = i''D - c.θ = 2168.10 3 (J/kg), ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3,1 at, (Bảng
I.251, trang 314, [1]) a Giai đoạn đưa dung dịch 15% từ 30 o C đến 65,813 o C
Gđ = Gc = 1500 (kg); cđ = cc = 3846,839 (J/kg.độ); tđ = 30 o C ; tc = 65,813 o C ; W = 0 (kg);
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
Lượng hơi đốt sử dụng
(1−0,05).2168.10 3 = 105,652 kg b Giai đoạn đưa dung dịch từ 15% lên 25%
Gđ = 1500 (kg); cđ = 3846,839 (J/kg.độ);
Gc = 900 (kg) ; cc = 3686,018 (J/kg.độ) tđ = 65,813 o C ; tc = 66,04 o C ; W = 600 (kg);
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q2 = Gc.cc tc - Gđ.cđ.tđ+ W i''W
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
Lượng hơi đốt sử dụng
(1−0,05).2168.10 3 = 720,917 kg c Giai đoạn đưa dung dịch từ 25% lên 35%
Gđ = 900 (kg); cđ = 3686,018 (J/kg.độ);
Gc = 642,857 (kg) ; cc = 3486,221 (J/kg.độ) tđ = 66,04 o C ; tc = 66,72 o C ; W = 257,143 (kg);
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q3 = Gc.cc tc - Gđ.cđ.tđ+ W i''W
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
0,95 = 6,356.10 8 J Lượng hơi đốt sử dụng
(1−0,05).2168.10 3 = 308,604 kg d Giai đoạn đưa dung dịch từ 35% lên 50%
Gđ = 642,857 (kg); cđ = 3486,221 (J/kg.độ);
Gc = 450 (kg) ; cc = 3185,027 (J/kg.độ) tđ = 66,72 o C ; tc = 66,833 o C ; W = 192,857 (kg);
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q4 = Gc.cc tc - Gđ.cđ.tđ+ W i''W
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
Lượng hơi đốt sử dụng
Bảng 4.2 Tóm tắt cân bằng năng lượng
Nồng độ dung dịch % 15 (30oC) 15
Tổng nhiệt lượng cung cấp J 10 8
Lượng hơi đốt sử dụng kg
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
Thiết kế thiết bị chính
5.1.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
5.1.1.1 Các kí hiệu và công thức α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/m 2 K
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi (α2) được đo bằng W/m²K, đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1) và phía dung dịch sôi (q2), đều tính bằng W/m², phản ánh lượng nhiệt truyền qua từng phần của hệ thống Nhiệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt (qv) cũng được đo bằng W/m², là yếu tố quyết định hiệu quả truyền nhiệt qua thành ống Nhiệt độ trung bình của vách ngoài ống (v1t) và vách trong ống (v2t), đo bằng độ Celsius, cho biết mức độ nhiệt độ của thành ống tại các vị trí khác nhau trong quá trình vận hành Nhiệt độ hơi ngưng tụ (tD) cố định ở 133,9°C, trong khi nhiệt độ dung dịch sôi (tdd) cũng là một tham số quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt.
2 t = 1 + : nhiệt độ màng nước ngưng, o C a Phía hơi ngưng
Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm
: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tm, kg/m 3
: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ tm, W/mK
:độ nhớt của nước ở nhiệt độ tm, Pas r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD; r = 2168.10 3 J/kg
H = 1,5 m: chiều cao ống truyền nhiệt b Phía dung dịch q2 = 2 t 2 (3)
Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m 3 ), nhiệt dung riêng (J/kg độ), độ nhớt (Pas) của nước theo tsdm(ptb) dd dd dd dd, ,c ,
: các thông số của dung dịch theo nồng độ theo tsdd(ptb)
n: hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước, W/m 2 K αn = 0,145 ∆t 2,33 P 0,5 (5), (công thức V.91 trang 26 Tài liệu [2])
Với: q : nhiệt tải riêng, W/m 2 p : áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m 2 p = p0 = 0,2638 (at) = 25870,866 (N/m 2 )
* Các thông số của nước tra bảng I.249, trang 311 [1]
Bảng 5.1 Các thông số của nước ở các nồng độ khác nhau
Nồng dộ dung dịch % 15 25 35 50 tsdm(ptb) 69,0962 68,7687 67,5 67,5603 ρ dm 978,288 978,3465 979,15 979,117
* Các thông số của dung dịch ρdd (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của dung dịch ở các nồng độ, bảng I.86, trang 58, [1]
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch đường
Trong đó: t: nhiệt độ của dung dịch ( 0 C) x: nồng độ của dung dịch (%)
dd Theo công thức I.32 Sổ tay tập 1, trang 123 [1]
Bảng 5.2 Các thông số của dung dịch đường ở các nồng độ khác nhau
Nồng độ dung dịch % 15 25 35 50 tsdd(ptb) o C 69,2092 69,1087 68,52 68,693 ρ dd 1061,04 1105,51 1153,31 1231,74
Mdd 20,982 23,586 26,929 34,2 λ dd 0,547 0,527 0,504 0,465 c Phía vách ống truyền nhiệt
Theo Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 104
Tra ở bảng 31, Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 419, ta có: r1: nhiệt trở màng nước; r1= 0,387.10 -3 (m 2 K/W) r2: nhiệt trở lớp cặn bẩn dày 0,5 mm; r2 = 0,725.10 -3 (m 2 K/W)
∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường ( 0 C) v =2
mm: bề dày ống truyền nhiệt v 16,3 W/m.K hệ số dẫn nhiệt của ống (Tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)
Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như sau
4 Tính t v theo công thức (6) với qv = q1 tv , t2
5 Tính n theo công thức (5) với q = q1
8 Xác định sai số ss = 𝑞 1 −𝑞 2
Nếu ss > 5% thì chọn lại v 1 t và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ
5.1.1.2 Tính K cho các giai đoạn a Tính ở nồng độ 15% chọn tv1 = 129,53 0 C → ∆t1 = tD – tv1 = 133,9 – 129,53 = 4,37 0 C
So sánh sai số giữa q 1 và q 2
Sai số 𝛿q < 5% thì các thông số đã chọn phù hợp
Bảng 5.3 Tóm tắt các thông số trong tính lặp
Nồng độ dung dịch % 15 25 35 50 tsdd(ptb) o C 69,2092 69,1087 68,52 68,693 q1 (W/m 2 ) 40943,602 40347,5869 40326,399 38868,7313 q2 (W/m 2 ) 40623,5 40090,49 40158,42 38745,26
5.1.2 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ 30 o C đến 69,2092 o C
5.1.2.1 Các kí hiệu và công thức
Các kí hiệu , , q1,q2,qv, , , tD, tdd, , tm như mục 5.1.1.1 a Phía hơi ngưng
A xác định theo tm r = 2168.10 3 J/kg
* C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau
▪ Gr.Pr thì Nu = 1,18 (Gr.Pr) 0,125
▪ Gr.Pr >2.10 7 thì Nu = 0,135 (Gr.Pr) 0,33
* l: chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1,5 m
Khối lượng riêng của dung dịch đường (𝜌𝑑𝑑) được đo bằng đơn vị kg/m³, phản ánh mật độ của dung dịch Hệ số dãn nở thể tích (𝛽𝑑𝑑) thể hiện khả năng mở rộng của dung dịch khi có sự thay đổi nhiệt độ, tính bằng K⁻¹ Hệ số dẫn nhiệt (λ𝑑𝑑) đo lường khả năng truyền nhiệt qua dung dịch, với đơn vị W/mK, giúp xác định hiệu quả truyền nhiệt trong quá trình làm lạnh hoặc nung nóng Độ nhớt (μ𝑑𝑑) phản ánh khả năng chống cản trở dòng chảy của dung dịch, tính bằng Pa.s Nhiệt dung riêng của dung dịch đường (c𝑑𝑑) thể hiện lượng nhiệt cần để làm nóng một đơn vị khối lượng dung dịch lên một độ, đo bằng J/kg độ Tất cả các thông số này được đo ở nhiệt độ màng 𝑡𝑚 = 1 để đảm bảo tính chính xác và so sánh.
𝜌 𝑑𝑑 = 1061,04 kg/m 3 cdd = 3891,196 J/kg độ àdd = 0,458.10 -3 Ns/m 2 λdd = 0,547 W/m.K
𝑞 1 100%, tính cho đến sai số nhỏ (và phải nhỏ hơn 5% )
3 1061,04 2 0,498.9,25.9,8 (0,458.10 −3 ) 2 = 8,177.10 14 ta thấy Gr.Pr > 2.10 7 → Nu = 0,135.(Pr.Gr) 0,33 = 16625,076
55462,833 100% = 1,11% < 5% Vậy hệ số truyền nhiệt giai đoạn này
5.1.3 Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cô đặc
Phương trình truyền nhiệt cho khoảng thời gian nhỏ dT dQ= K.F(T-t).dT Giả sử đến cuối quá trình dung dịch vẫn ngập hết bề mặt truyền nhiệt → F không đổi,
Lấy tích phân ta được
T2: thời gian cô đặc ( không kể thời gian gia nhiệt cho dung dịch đầu đến 69,2092 o C ), s
Q : nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình này, J
* Ta tính tích phân (1) bằng đồ thị Cần xác định Q, 1
Vẽ đồ thị có : trục hoành : Q (x) trục tung : 1
Từ việc tính tích phân đồ thị ta có
* Tổng quá trình cô đặc từ 15% đến 50%
* Chọn thời gian cô đặc là 40 phút
→ Bề mặt trao đổi nhiệt là
→ Thời gian của các giai đoạn
* Thời gian gia nhiệt ban đầu
0 5 10 15 20 25 30 y x Đồ thị xác định thời gian cô đặc và bề mặt truyền nhiệt
Với: Q : nhiệt lượng dùng cho gia nhiệt, J
K : hệ số truyền nhiệt cho quá trình gia nhiệt, W/m 2 K
* Chọn thời gian nhập liệu 10 phút
Thời gian tháo sản phẩm 5 phút
* Tồng thời gian cô đặc 1 mẻ là
Ta chọn tổng thời gian cô đặc là 58 phút
5.1.4 Tính kích thước buồng đốt
Diện tích bề mặt truyền nhiệt : F = 25,659 m 2
Tra bảng (VI.6, trang 80, [2]) Ta lấy an toàn : F = 50 m 2
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III – 49), trang 134 [4]:
Chọn loại ống có đường kính: dtr = 32mm = 0,032 m; 𝛿 = 2mm dn = 36 mm = 0,036 m; 𝛿 = 2mm l = Hd = 1,5 m: Chiều dài ống truyền nhiệt
F = 50 m 2 : Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Chọn n = 367 ống và bố trí ống theo hình lục giác đều Số ống xuyên tâm là 21 ống, số hình lục giác là 10
Theo bảng V.11, trang 48 [2] bố trí theo hình lục giác đều
Bề mặt truyền nhiệt thực: F = n.l 𝜋.dtr = 367.1,5 𝜋.0,032 = 55,342 (m 2 )
5.1.4.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (D th ) Áp dụng công thức (III.26) trang 121, [7]:
Theo tiêu chuẩn trang 274, [5] chọn Dth = 400 mm
5.1.4.3 Đường kính buồng đốt (D t ) 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 (III-52, trang 135,
Trang 50 β: Hệ số, thường có giá trị từ 1,3 – 1,5 Chọn β = 1,4 (Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, trang 202) dn = 0,036 m: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt Ѱ: Hệ số sử dụng vỉ ống thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9; chọn ѱ = 0,8 l = 1,5 m: Chiều dài của ống truyền nhiệt
Dth = 0,404 m: Đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm α = 60 o : Góc ở đỉnh của tam giác đều n = 367: Số ống truyền nhiệt
F = 50 m 2 : Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Theo tiêu chuẩn trang 275 [5] chọn Dt = 1200 mm = 1,2 m
5.1.4.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Theo công thức 3.86, trang 202, [5]
S: Bước ống (m); s = β.dn= 1,4.36 = 50,4 mm dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt m: Số ống trên đường chéo
Chọn m = 7 ống theo bảng V.11 trang 48 [2]
Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bằng ống tuần hoàn trung tâm:
4 (7 2 − 1) + 1 = 37 ố𝑛𝑔 Tổng số ống trong thiết bị:
Tổng số ống lắp đầy toàn bộ vỏ thiết bị
𝑛 = ∑ 𝑛 − 𝑛 ′ = 367 − 37 = 330 ố𝑛𝑔: Số ống truyền nhiệt còn lại
Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt
5.1.4.5 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt
Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 40 mm
Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt:
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.21, Sổ tay tập 2, trang 394, ta có:
• Số ống truyền nhiệt là 330 ống có kích thước d là 32/36 mm
• Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth= 400 mm
• Đường kính buồng đốt Dt = 1200mm
• Chiều cao buồng đốt Hd = 1,5m
• Diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 50 m 2
• Chiều cao đáy nón Hnón = 1087 mm
• Thể tích dung dịch ở đáy Vđ = 0,52 m 3
5.1.5 Tính kích thước buồng bốc Đường kính buồng bốc xác định từ điều kiện phân li được giọt lỏng đường kính 0.3 mm trở lên
Chiều cao buồng bốc xác định từ cường độ bốc hơi trung bình và thể tích buồng bốc 5.1.5.1 Đường kính buồng bốc (Db)
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc
Ta tính lưu lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu ( do lượng hơi thứ trong giai đoạn này là lớn nhất )
W: Lượng hơi thứ bốc hơi (kg) W1 = 600 ρh: Khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất P0 = 0,2638 at
Tra bảng I.251, Sổ tay tập 1, trang 314:
Nội suy ta được ρh = 0,166 kg/m 3
T1 : thời gian gia nhiệt giai đoạn đầu ( từ 25% đến 30% ); T1 = 1363,93 s
Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:
Trong đó: Db là đường kính buồng bốc (m)
Khối lượng riêng của giọt lỏng, ρ’= 980,122 kg/m³, được xác định dựa trên bảng dữ liệu tại nhiệt độ sôi của dung môi trong buồng bốc cháy là 65,7°C Khối lượng riêng của hơi, ρ”= ρh= 0,166 kg/m³, thể hiện tính chất khí của hơi trong quá trình phân tích Đường kính của giọt lỏng, d= 0,0003 m, được chọn dựa trên tiêu chuẩn và dữ liệu tham khảo Gia tốc trọng trường, g= 9,8 m/s², đóng vai trò quan trọng trong tính toán lực tác động lên giọt trong quá trình truyền nhiệt và vận chuyển Hệ số trở lực ξ được tính theo số Reynolds (Re) để đánh giá tác động của dòng chảy đối với lực cản của môi trường đối với giọt lỏng.
Với: μh = 11,26.10 -6 (N.s/m 2 ) – độ nhớt động lực học của hơi thứ tại nhiệt độ 65,7 0 C, (bảng I.121, trang 121, [1])
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 276:
0,6 = 3,655 𝐷 𝑏 1,2 ωhơi không quá 70-80% ωo, chọn: ωhơi < 80% ωo
Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 1,5 m (theo tiêu chuẩn trang 277, [5])
1,5 2 = 6,632 (𝑡ℎỏ𝑎 𝑚ã𝑛 0,2 < 𝑅𝑒 < 500) Vậy đường kính buồng bốc Db = 1500 mm
Theo công thức VI.34, Sổ tay tập 2, trang 72: chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:
Db: Đường kính buồng bốc (m)
VKGH: Thể tích không gian hơi (m 3 )
Công thức VI.32, sổ tay tập 2, trang 71:
W: Lượng hơi thứ bốc lên khỏi thiết bị, W = 1050.60
40 75 kg/h ρh: Khối lượng riêng của hơi thứ ở P0 = 0,2638 at, kg/m 3 ; ρh = 0,166 kg/m 3
Cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi là lượng nước bay hơi trên mỗi đơn vị thể tích của không gian hơi trong một đơn vị thời gian Thoát hơi này đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều chỉnh độ ẩm không khí và đảm bảo cân bằng khí hậu trong các hệ thống công trình Hiểu rõ về cường độ bốc hơi thể tích giúp đơn giản hóa việc thiết kế các phương pháp kiểm soát ẩm, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điều hòa không khí Việc kiểm soát cường độ bốc hơi phù hợp còn góp phần giảm thiểu rủi ro về ẩm ướt, nấm mốc, và các vấn đề liên quan đến môi trường bên trong không gian sống và làm việc.
Công thức VI.33, sổ tay tập 2, trang 72: Utt = f Utt (1at)
Trang 55 h3 h2 2 mm h1 @ mm h1= 40 mm : chiều cao phần gờ buồng bốc h2= 182 mm : chiều cao phần nón cụt h3: chiều cao dung dich trong phần trụ
Với: f = 1,4: |Hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (Xác định theo đồ thị hình
VI.3, Sổ tay tập 2, trang 72)
Utt (1at): Cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P = 1at, m 3 /m 3 h
Theo Sổ tay tập 2, trang 72, chọn Utt (1 at) = 1600 m 3 /m 3 h
Tổng thể tích ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:
▪ Thể tích dung dịch trong buồng bốc trước khi cô đặc
Vdd(bb) = Vdd phần gờ + Vdd nón cụt + Vdd phần trụ
Chiều cao phần trụ buồng bốc
Chọn chiều cao phần trụ buồng bốc 2,4 (m)
Vậy chiều cao buồng bốc Hb = 2,622 m
Theo bảng V.11, trang 48 [2] bố trí theo hình lục giác đều Ta có
Bảng 5.4 Phân bố 301 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều
Số ống trên đường xuyên tâm 21
Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 331
Số ống trong các hình viên phân
Tổng số ống trong tất cả hình viên phân 36
Tổng số ống của thiết bị 367
5.1.5.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc (góc đáy 60 o )
Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 40 mm
Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc:
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.21, Sổ tay tập 2, trang 394, ta có:
Ft = 3,979 m 2 : Diện tích bề mặt trong
Tính cơ khí cho thiết bị cô đặc
5.2.1.1 Sơ lược về cấu tạo
Buồng đốt có đường kính trong Dt = 1200 mm, chiều cao Ht = 1500 mm
Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng
Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép không gỉ mã hiệu OX18H10T, có đặc tính bền nhiệt và chịu nhiệt cao, giúp đảm bảo độ bền và tuổi thọ thiết bị Phương pháp chế tạo thân buồng đốt là dạng hình trụ hàn chắc chắn, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo khả năng chịu lực cũng như chịu nhiệt tốt Việc chọn vật liệu và phương pháp chế tạo phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống đốt.
Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 3,1 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là: pm = pD – pa = 3,1 – 1 = 2,1 at = 205947 N/m 2
Pm= 2,1 at → ρ = 1,158 (kg/m 3 ); (bảng I.251, trang 314, [1]) Áp suất tính toán là: (theo công thức 1.1 trang 10, [6])
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 133,9 0 C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:
(theo trang 9, [6]) ttt = tD + 20 = 133,9 + 20 = 153,9 0 C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Theo hình 1.2, trang 16, [6], 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, [6]) Ứng suất cho phép của vật liệu là:
Tra bảng 2.12, trang 34, [6]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 1,995.10 5 N/mm 2 Xét:
2.108,775.0,95 = 1,196mm Trong đó: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [6], hàn 1 phía)
Dt = 1200 mm – đường kính trong của buồng đốt
Pt = 0,206 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt
Dt = 1200mm ⇒ Smin = 4 mm > 1,196 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 4mm (theo bảng 5.1, trang 94, [6])
Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1mm (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 = 0,4 mm (theo bảng XIII.9, trang
Hệ số bổ sung bề dày là:
Bề dày thực là: S = S’ + C = 4 + 1,4 = 5,4 mm
Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [6]:
1200 = 0,004 < 1 (thỏa) Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
1200+(6−1) = 0,858 N/mm 2 > Pt = 0,206 N/mm 2 Vậy bề dày buồng đốt là 6mm
Đường kính ngoài của buồng đốt
Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [6]): dmax =3,7 √𝐷 3 𝑡 (𝑆 − 𝐶 𝑎 ) (1 − 𝑘) (mm)
Dt = 1200 mm – Đường kính trong của buồng đốt
S = 6 mm – Bề dày của buồng đốt k – Hệ số bền của lỗ k = 𝑃 𝑡 𝐷 𝑡
− Buồng bốc có đường kính trong là Db = 1500 mm, chiều cao Hb = 2622 mm
− Thân có 5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sữa 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 làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài
Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,2638 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:
Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,2638= 1,7362 at = 98070 N/m 2 = 0,098N/mm 2
Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm (po) = 65,7 0 C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:
Trang 60 ttt = 65,7 + 20 = 85,7 0 C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [6], hàn 2 phía)
Theo hình 1.2, trang 16, [6], 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, [6])
Ứng suất cho phép của vật liệu là:
Tra bảng 2.12, trang 34, [6]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 1,98.10 5 N/mm 2 Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [6])
Ứng suất chảy của vật liệu là
𝜎 𝑐 ′ = [σ]*.nc = 124 1,65 = 204,6 N/mm 2 Áp dụng công thức 5-14, trang 98, [6]:
Dt = 1500 mm – Đường kính trong của buồng bốc
Pn = 0,098 N/mm 2 – Áp suất tính toán của buồng bốc l = 2622 mm – Chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích
Dt = 1500 mm ⇒ Smin = 4mm < 6,6499 mm ⇒ chọn S’ = 6,6499 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [6])
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 = 0,55mm (theo bảng XIII.9, trang
Hệ số bổ sung bề dày là:
Kiểm tra bề dày buồng bốc:
Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [6]:
Kiểm tra công thức 5-16, trang 99, [6]:
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, [6]:
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Lực nén chiều trục lên buồng bốc:
1,98.10 5 0,102 = 0,092 Điều kiện thoả mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [6]):
Trang 63 Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [6]:
𝜋.(1500+8,1999).(8,1999−1) = 5,188 (N/mm 2 ) Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [6]:
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, [6]:
0,371 = 0,323 ≤ 1 (thỏa) Vậy bề dày buồng bốc là 10mm Đường kính ngoài buồng bốc:
Tính bền cho các lỗ Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [6]): dmax = 3,7 √𝐷 3 𝑡 (𝑆 − 𝐶 𝑎 ) (1 − 𝑘) (mm)
Dt = 1500 mm – Đường kính trong của buồng bốc
S = 8,1999 mm – Bề dày của buồng bốc k – Hệ số bền của lỗ k = 𝑃 𝑛 𝐷 𝑡
5.2.3 Tính cho đáy thiết bị
− Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1200 mm
− Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60 0
− Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 1087 mm
− Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,52 m 3
− Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu
− Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T
− Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc
− Tổng thể tích ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:
− Thể tích của phần đáy nón:
− Thể tích của dung dịch đi vào thiết bị:
𝜌 𝑑𝑑 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của dung dịch trong thiết bị
− 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= 40mm
Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:
Thể tích phần hình nón cụt
Chiều cao của phần hình nón cụt:
Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:
H’ = Hc + Hgc + Hđ + Hbđ = 182 + 40 + (40+ 1087) + 1500 = 2849 mm = 2,849 m
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)
Hđ: chiều cao của chất lỏng trong đáy nón (m)
Chiều cao cột chất lỏng trong buồng đốt (Hbđ) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị, được tính bằng công thức ptt = ρdd g.H’ Trong đó, ptt khoảng 0,0296 N/mm² đã được tính toán dựa trên các yếu tố như mật độ chất lỏng, gia tốc trọng trường và chiều cao cột Đáy thiết bị chịu áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 0,2638 atm, điều này đồng nghĩa với việc nó phải chống lại áp suất ngoài tương đương để đảm bảo độ an toàn và hoạt động hiệu quả của hệ thống.
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:
Dt = 1200 mm p0 = 0,2638 at = 0,026 N/mm 2 tm = tsdd (po) + 2Δp = 66,833+2.1,133= 69,099 0 C
Các thông số tính toán: l’ – Chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 1087 mm
D’ – Đường kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, trang 133, [6])
𝑐𝑜𝑠30 = 1250,887 mm (công thức 6-29, trang 133, [6]) Trong đó : dt = 33 mm là đường kính lỗ tháo sản phẩm
Pn = 0,2356 N/mm 2 ttt= 69,099 + 20 = 89,099 0 C (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
Các thông số cần tra và chọn:
[σ]* = 123,5 N/mm 2 − ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt (hình 1-2, trang
16, [6]) η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
[σ] = η.[σ]* = 0,95.123,5 = 117,325 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu
Et = 1,97.10 5 N/mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở ttt (bảng 2-12, trang 34, [6]) nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [6])
𝜎 𝑐 𝑡 = nc [σ]* = 1,65.123,5 = 203,775 N/mm 2 – giới hạn chảy của vật liệu ở tt (công thức 1-3, trang 13, [6])
Chọn bề dày tính toán đáy S = 10 mm, bằng với bề dày thực của buồng bốc
Kiểm tra bề dày đáy
Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [6]:
Kiểm tra công thức 5-16, trang 99, [6]:
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, [6]:
Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục
Lực tính toán P nén đáy:
Dn – Đường kính ngoài buồng bốc (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 𝐷 𝑡
2.(𝑆− 𝐶 𝑎 ) , tính theo công thức ở trang 103, [6]
1,97.10 5 0,066 = 0,0597 [P] = π 0,0597 1,97.10 5 (10 − 1) 2 𝑐𝑜𝑠 2 30 0 = 2244588,39 N > 426427,2204 N (thỏa) Điều kiện ổn định của đáy:
1,644 = 0,333 ≤ 1 (thỏa) Vậy bề dày của đáy nón là 10 mm
Tính bền cho các lỗ: Đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức
S: Bề dày đáy thiết bị (mm)
S’: Bề dày tính toán tối thiểu của đáy (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)
5.2.4 Tính cho nắp thiết bị
Chọn nắp buồng bốc là ellipse theo tiêu chuẩn có Dt = 1500mm
4 = 375 mm và Rt = Dt = 1500mm
Nắp có gờ và chiều cao gờ là hg = 40mm
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T
Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là p0=0,2638at nên chịu áp suất bên ngoài là Pn=0,098N/mm 2
Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là: ttt = tsdm(po) + 20 = 65,7 + 20 = 85,7 0 C (nắp có bọc lớp cách nhiệt)
Chọn bề dày tính toán nắp S = 10 mm, bằng với bề dày thực của buồng bốc
Kiểm tra bề dày nắp:
𝐸 𝑡 = 1,98 10 5 𝑁/𝑚𝑚 2 : hệ số modul đàn hồi của vật liệu làm nắp
𝜎 𝑐 𝑡 = n 𝑐 [𝜎] ∗ = 1,65.124 = 204,6: giới hạn chảy của vật liệu
𝜎 𝑛 = [𝜎] ∗ 𝜇 4.0,95= 117,8 N/mm 2 ứng suất nén cho phép của vật liệu x = 0,7 :với thép không gỉ nc =1,65 hệ số an toàn khi chảy
1,603.1500 = 0,882 > 𝑃 𝑛 = 0,098 Vậy bề dày của nắp elip là 10 mm
Tính bền cho các lỗ:
Vì nắp chỉ có lỗ để gắn ống tuần hoàn, nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức (8-3), trang 162, [6]: dmax = 2.[( S− Ca )] Công thức này giúp xác định chính xác kích thước tối đa của lỗ để đảm bảo chức năng hoạt động hiệu quả của hệ thống tuần hoàn mà vẫn đảm bảo tính an toàn và độ bền của nắp.
S – Bề dày đáy thiết bị (mm)
S’ – Bề dày tính toán tối thiểu của đáy (mm) (chọn theo cách tính của buồng bốc)
Ca –Hệ số bổ sung do ăn mòn (mm)
Dt – Đường kính trong của nắp (mm)
5.2.5 Tính cách nhiệt cho thân
▪ Chọn vật liệu cách nhiệt là amiang carton
▪ Bề dày lớp cách nhiệt
, m (công thức VI.66 trang 92 tài liệu [2] )
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt là 0,144 W/m·K, cho thấy khả năng cách nhiệt của vật liệu Nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị (tT1) và nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí (tT2) nằm trong khoảng từ 40°C đến 50°C Điều này giúp đảm bảo hiệu quả cách nhiệt và kiểm soát nhiệt độ tối ưu trong hệ thống.
Trang 71 tKK : nhiệt độ không khí
: hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí
𝛼 𝑛 = 9,3 + 0,058 𝑡 𝑇2 (công thức VI.67 trang 92 tài liệu [2] )
Vậy chọn bề dày lớp các nhiệt
5.2.6.1 Sơ lược về cấu tạo
− Bulong và bích được làm từ thép CT3
− Mặt bích ở đây được dùng để nối nắp của thiết bị với buồng bốc, buồng bốc với buồng đốt và buồng đốt với đáy của thiết bị
− Chọn bích liền bằng thép, kiểu 1 (bảng XIII.27, trang 417, [2])
− Các thông số cơ bản của mặt bích:
Dt : Đường kính trong (mm)
D : Đường kính ngoài của mặt bích (mm)
Db : Đường kính vòng bu lông (mm)
Dl : Đường kính đến vành ngoài đệm (mm)
D0 : Đường kính đến vành trong đệm (mm) db : Đường kính bu lông (mm)
Z : Số lượng bu lông (cái) h : chiều dày mặt bích (mm)
Mặt bích nối buồng bốcvà buồng đốt:
− Buồng bốc và buồng đốt nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 1200 mm
− Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,206 N/mm 2
− Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,098 N/mm 2
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, Sổ tay tập 2, trang 419
Bảng 5.5 Số liệu của bích nối với buồng đốt - buồng bốc.
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm
Mặt bích nối buồng đốt và đáy:
− Buồng đốt và đáy được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 1200 mm
− Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,206 N/mm 2
− Áp suất tính toán của đáy là 0,235 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm2 để bích kín thân Tra bảng XIII.27, Sổ tay tập 2, trang 419
Bảng 5.6 Số liệu của bích nối buồng đốt – đáy
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm
Mặt bích nối buồng bốc và nắp:
− Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng bốc Db = 1500 mm
− Áp suất tính toán của buồng bốc và nắp cùng là 0,098 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm 2 để bích kín thân Tra bảng XIII.27, Sổ tay tập 2, trang 421:
Bảng 5.7 Số liệu của bích nối buồng bốc - nắp
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm Mm
5.2.7.1 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 133,9°C, và ứng suất uốn cho phép theo tiêu chuẩn vật liệu tại nhiệt độ này là 118 N/mm² Trong quá trình thiết kế, hệ số hiệu chỉnh η được chọn bằng 1 để đảm bảo độ chính xác của các tính toán (theo hình 1-2, trang 16, tài liệu [6]).
Ứng suất uốn cho phép của vật liệu tt là:
Tính cho vỉ ống phía trên buồng đốt:
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống ℎ 1 ′ được xác định theo công thức 8-
K: hệ số, K = 0.28→ 0.36 Chọn K = 0,3 (tự chọn)
Dt = 1200 mm : Đường kính trong của buồng đốt
P0 = 0,206 N/mm 2 : Áp suất tính toán ở trong ống (bằng với áp suất tính toán của buồng đốt)
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định theo công thức
0 : Hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ 𝜑 0 = 𝐷 𝑛 −∑ 𝑑
Dn: Đường kính vỉ ống (mm)
∑d: Tổng số đường kính các lỗ trong vỉ (mm)
Đường kính trong của ống tuần hoàn (dth) và ống truyền nhiệt (dt-ống) được tính bằng công thức tổng hợp: dt-ống = dth + n, trong đó, dth là đường kính trong của ống tuần hoàn, dt-ống là đường kính trong của ống truyền nhiệt, và n là số ống được bố trí theo đường kính của vỉ Ví dụ, nếu dth là 400 mm và số ống n là 6.32, thì dt-ống sẽ là 592 mm, giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống nhiệt và đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt cao.
Kiểm tra độ bền của vỉ ống: Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức (8-53), trang 183, [6]:
Trong đó: dn = 36 mm: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
Vậy vỉ ống ở trên buồng đốt dày 30 mm
Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt:
Chọn bề dày của vỉ ống phía dưới bằng chiều dày của vỉ ống phía trên và bằng 30mm (cũng bằng bề dày mặt bích)
Các bước làm giống xác định bề dày cho vỉ ống trên buồng đốt
5.2.8 Khối lượng và tai treo
5.2.8.1 Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ
− Khối lượng tai treo cần chịu: m = mtb + mdd
− Tổng khối lượng thép làm thiết bị: m tb = mđ + mn + mbb + mbđ + mc + mvỉ + mống + mbích
Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu các khối lượng thép cần thiết cho các bộ phận của cấu trúc, bao gồm: mđ là khối lượng thép làm đáy (kg), mn là khối lượng thép làm nắp (kg), mbb là khối lượng thép làm buồng bốc (kg), mbđ là khối lượng thép làm buồng đốt (kg), mống là khối lượng thép làm ống (kg), mv là khối lượng thép làm vỉ ống, và mbich là khối lượng thép làm bích Những thông số này giúp xác định chính xác lượng thép cần sử dụng, góp phần tối ưu hóa quá trình thi công và đảm bảo chất lượng của từng bộ phận Việc tính toán chi tiết các khối lượng thép này không những giúp kiểm soát chi phí mà còn nâng cao độ bền và an toàn cho toàn bộ hệ thống.
− Khối lượng riêng của thép OX18H10T là ρ = 7900 kg/m 3
− Khối lượng riêng của thép CT3 là ρ = 7850 kg/m 3
5.2.8.2 Khối lượng các bộ phận thiết bị
Khối lượng thép làm ống truyền nhiệt:
Trong đó: dn, dt: Đường kính ngoài và trong của ống truyền nhiệt (m)
Dth,n, Dth,t: Đường kính ngoài và trong của ống tuần hoàn (m)
H: Chiều cao ống truyền nhiệt (m) n: Tổng số ống truyền nhiệt (ống)
Khối lượng thép làm buồng đốt:
H: Chiều cao buồng đốt (bằng chiều cao ống truyền nhiệt, m)
Dd, n, Dd, t : Đường kính ngoài và trong của buồng đốt (m)
Khối lượng thép làm đáy nón: Đáy nón được làm bằng thép không gỉ OX18H10T Đáy nón tiêu chuẩn có góc đáy 60 o , có gờ cao 40mm
Ft: Diện tích bề mặt trong của đáy (m 2 )
SĐ: Bề dày đáy (m) mđáy = ρ Vđáy = 7900.25,7 10 -3 = 203,03 kg
Khối lượng thép làm buồng bốc:
Thể tích thép làm buồng bốc:
Dd, n, Dd, t : Đường kính ngoài và trong của buồng bốc (m)
Khối lượng thép làm nắp elip:
Nắp elip tiêu chuẩn có:
Ft: Diện tích bề mặt trong của nắp (m 2 )
SN: Bề dày đáy (m) mnắp = ρ Vnắp = 7900.39,79.10 -3 = 314,341 kg
Thể tích thép làm vỉ ống:
Dt: Đường kính trong của buồng đốt dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
Dnth: Đường kính ngoài của ống tuần hoàn
S = 30mm: Chiều dày tính toán tối thiểu của vỉ ống
Khối lượng thép làm vỉ ống: m vỉ ống = ρ 𝑉 𝑣ỉ ố𝑛𝑔 = 7900.0,02 = 158 kg
Khối lượng thép làm mặt bích:
Có 6 mặt bích, gồm 2 mặt bích nối nắp và buồng bốc, 2 mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt, 2 mặt bích nối buồng đốt và đáy
Mặt bích làm bằng thép CT3
Thể tích thép làm mặt bích không có vỉ ống:
4 0,03 = 0,017𝑚 3 Thể tích thép làm hai 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 là đường kính trong của buồng đốt (m)
Dnth là 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 nắp và buồng bốc
Dt là đường kính trong của buồng bốc (m)
Tổng thể tích mặt bích:
Bu lông và ren làm bằng thép CT3
Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:
▪ D = 1,7.db = 1,7 24= 40,8 mm đường kính bulông
▪ H = 0,8.db = 0.8.24 = 19,2 mm chiều cao phần bu lông không chứa lõi
▪ hʹ = 0,8.db = 0,8.24 ,2 mm chiều cao đai ốc
▪ h״ = h +2 = 30+2 = 32 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 24= 40,8 mm đường kính bu lông
▪ H = 0,8.db = 0.8.24 = 19,2 mm chiều cao phần bu lông không chứa lõi
▪ hʹ = 0,8.db = 0,8.24 ,2 mm chiều cao đai ốc
▪ h״ = h +2 = 40+2 = 42 mm chiều cao phần lõi bu lông
▪ h‴ = 9 mm kích thước phần ren trống
4 = 2,27.10 -3 m 3 Đai ốc: Đai ốc được làm bằng thép CT3
Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:
▪ Hʹ = 0,8.db=0,8.24,2 mm chiều cao đai ốc
▪ dt =1,4.db=1,4.243,6 mm đường kính trong của đai ốc
▪ dn=1,15.dt=1,15.33,68,64 mm đường kính ngoài của đai ốc
Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:
▪ Hʹ = 0,8.db=0,8.24,2 mm chiều cao đai ốc
▪ dt =1,4.db=1,4.243,6 mm đường kính trong của đai ốc
▪ dn=1,15.dt=1,15.33,68,64 mm đường kính ngoài của đai ốc
4 0,0192 = 2,18 10 −4 𝑚 3 Tổng thể tích thép lam bu lông, ren và đai ốc:
Vbích = 𝑉 1 ʹ + 𝑉 2 ʹ + 𝑉 1 ״ + 𝑉 2 ״ = 3,35 10 −3 +2,27.10 -3 +3,51.10 -4 +2,18.10 -4 =6,189.10 -3 m 3 Khối lượng thép làm bu lông, ren và đai ốc: mbu lông, ren + mđai ốc = 𝜌.∑V = 7850 6,189.10 -3 = 48,584 kg
Bảng 5.8 Khối lượng thiết bị
Chi tiết Loại thép Khối lượng
Buồng bốc OX18H10T 979,6kg Đáy nón OX18H10T 203,03 kg
Nắp elip OX18H10T 314,341 kg Ống truyền nhiệt Ống tuần hoàn trung tâm
Bu lông, ren và đai ốc CT3 48,584 kg
Tổng khối lượng thiết bị:
5.2.8.3 Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch trong thiết bị
Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch là khối lượng riêng ở nồng độ 50% và nhiệt độ tsdd(Po) = 66,833 o C => ρ31,74 kg/m 3
Thể tích dung dịch trong phần hình nón cụt:
4 = 0,307 𝑚 3 Thể tích dung dịch trong thiết bị:
Db: Đường kính trong buồng bốc (m)
Dđ: Đường kính trong buồng đốt (m)
Hc: Chiều cao hình nón cụt không tính gờ (m)
Hgc: Chiều cao gờ hình nón cụt (m)
𝑉 ố𝑛𝑔 𝑇𝑁 : Thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt (m 3 )
𝑉 ố𝑛𝑔 𝑇𝐻 : Thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm (m 3 )
Vđ: Thể tích dung dịch trong đáy (m 3 )
Khối lượng lớn nhất có thể:
Tổng trọng tải trong thiết bị:
Chọn tai treo thẳng đứng, được làm bằng thép CT3 Trọng lượng trên mỗi tai treo:
4 = 11946,984 𝑁 ≈ 1,2 10 4 𝑁 Các thông số 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 (m 2 ) q: Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ (N/m 2 ) mt: Khối lượng một tai treo (kg)
5.2.9.1 Ống và cửa nhập liệu
Thời gian nhập liệu : Tnl = 10 phút = 600 s
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống m/s (trang 74 Tài liệu [2]) Vậy đường kính ống nhập liệu dnl= √ 4.𝑉 𝑛𝑙
Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 Tài liệu [2] Đường kính trong 60 mm
5.2.9.2 Ống và cửa tháo liệu
Thời gian tháo liệu Ttl = 5 phút = 300 s
Lưu lượng tháo liệu Vtl = 0,365
300 = 1,217 10 −3 m 3 /s Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống
𝜔 = 1,5 m/s (trang 74 Tài liệu [2]) Đường kính ống tháo liệu dtl= √ 4.𝑉 𝑡𝑙
𝜋.1,5 = 0,0321 𝑚 = 32,1 𝑚𝑚 Chọn ống tháo liệu Đường kính trong 33 mm
Thời gian cô đặc (lấy trong giai đoạn đầu)
Lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu 600 kg
Vậy lưu lượng hơi thứ
Theo bảng I.250 trang 312,[1], khối lượng riêng hơi thứ tại tsdm(po) :65,7 o C
Chọn vận tốc hơi đi trong ống 𝜔 ℎ𝑡 = 20 m/s (trang 74 Tài liệu [2])
đường kính ống dẫn hơi thứ dht= √ 4.𝑉 ℎ𝑡
Thời gian cô đặc và gia nhiệt T = 40+2,5 B,5 phút = 2550 s
Khối lượng riêng hơi đốt ở 3,1 at 𝜌 ℎđ = 1,668 kg/m 3 Theo bảng I.250 trang 313,[1] lưu lượng hơi đốt
Chọn vận tốc hơi đốt 𝜔 ℎđ = 20 m/s (trang 74 Tài liệu [2]) đường kính ống dẫn hơi đốt dhđ= √ 4.𝑉 ℎđ
Lượng nước ngưng mn = 230,676 kg
Khối lượng riêng nước ngưng ở 133,9 o C Theo bảng I.249 trang 311,[1]
𝜌 𝑛 = 931,407 kg/m 3 lưu lượng nước ngưng
Chọn vận tốc nước ngưng chảy trong ống 𝜔 𝑛𝑛 = 1,5 m/s đường kính ống dẫn nước ngưng dnn= √ 4.𝑉 𝑛𝑛
Bảng 5.9 Tóm tắt các đường ống dẫn và cửa Ống Đường kính trong, mm Bề dày, mm Chiều dài, mm
Tính chi tiết thiết bị phụ
5.3.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet
Công thức 4.39 trang 188 Tài liệu [3]
Gn : lượng nước cần cung cấp, kg
W : lượng hơi thứ cần ngưng, kg i : nhiệt dung riêng của hơi thứ ở áp suất ngưng tụ 0,25 at, J/ kg; i = 2613,5.10 3 J/kg (bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1])
𝑡 𝑛1 , 𝑡 𝑛2 : Nhiệt độ đầu, cuối của nước làm nguội, lấy 𝑡 𝑛1 = 30 o C
𝑡 𝑛2 = 𝑡 𝑠𝑑𝑑(𝑝𝑡𝑏) − 10 = 68,693 − 10 = 58,693 o C cn : nhiệt dung riêng trung bình của nước tra theo nhiệt độ , J/kg độ;
5.3.1.1 Lượng không khí do bơm hút từ thiết bị ngưng tụ
Lượng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet được tính Theo công thức 4.40 trang 188,[3]
W : lượng hơi thứ cần ngưng, kg
Gn : lượng nước cần cho ngưng tụ, kg
Gkk : lượng không khí cần hút, kg
Thể tích khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị tính theo VI.49 Sổ tay tập 2,trang 84:
(24525 − 6278,4) = 54,02 𝑚 3 Với tkk : nhiệt độ không khí o C
Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô (công thức VI.50 trang 84 Tài liệu [2]) tkk = tn1 + 4 + 0,1.(tn2 – tn1) = 30 + 4 + 0,1.(58,693 – 30) = 36,869 o C
P : áp suất hỗn hợp trong thiết bị ngưng tụ, N/m 2 ; P = 0.25 at = 24525 N/m 2
Ph : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp, lấy bằng áp suất hơi bão hoà ở tkk
(tra ở Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối, Bảng 56 trang 45 )
Ph = 0.064 at = 6278,4 N/m 2 Thể tích không khí cần hút ở 0 o C và 760 mmHg
5.3.1.2 Đường kính thiết bị ngưng tụ
Theo VI.52 Sổ tay tập 2, trang 84, ta có đường kính trong thiết bị ngưng tụ:
W: lượng hơi thứ ngưng tụ, W = 1050
h: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ, chọn h = 20 m/s (trang 85, [2]).
h: khối lượng riêng của hơi, tra bảng I.251 trang 314 theo sổ tay tập 1 [1] và nội suy: ở 0,25 at được h = 0,158 kg/m 3
Chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là 600 mm Tra bảng VI.8 trang 88 Tài liệu [2]
Thường có dạng viên phân để đảm bảo làm việc tốt
Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức VI.53 trang 85 [2] b = 𝐷 𝑡𝑟
Có nhiều lỗ nhỏ được đúc trên tấm ngăn, nước làm nguội là nước sạch nên đường kính lỗ chọn là 2mm
Tổng diện tích lỗ trên một cặp tấm ngăn
, công thức VI.54 trang 85 Tài liệu [2]
Chọn chiều cao gờ tấm ngăn là 40 mm nên =0.62 m/s Theo Sổ tay tập 2, trang 85, f = 8,643
𝜋.2 2 = 4523,599 lỗ Theo Sổ tay tập 2, trang 85, bề dày tấm ngăn (): chọn = 4 mm
Các lỗ xếp theo hinh lục giác đều
• tỉ số giữa tổng diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ
5.3.1.4 Chiều cao thiết bị ngưng tụ
Mức độ đun nước nóng: ( công thức VI.56 trang 85 Tài liệu [2])
Tra bảng VI.7 trang 86, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2 với đường kính tia nước 2 mm thì:
Số ngăn là n= 8, số bậc là n= 4
Khoảng cách giữa các ngăn h = 400 mm
Thời gian rơi qua một bậc t = 0,41s
Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần
Vậy khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50mm cho mỗi ngăn:
Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 400mm (có 8 ngăn)
Theo bảng VI.8 trang 88 Tài liệu [2]
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1300mm
Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đấy thiết bị là 1200mm
Nắp elip tiêu chuẩn có gờ, đuờng kính trong 600 mm
Chiều cao phần gờ của nắp là 40mm
Chiều cao phần nắp ellipse là 125mm Đáy nón tiêu chuẩn có gờ, góc đáy 60 o C, đuờng kính trong 600 mm
Chiều cao phần nắp đáy nón là 175mm
Vậy chiều cao của thiết bị ngưng tụ là :
Theo công thức VI.57 trang 86 Tài liệu [2]
𝜋.𝜔 , m Với W : lưu lượng hơi ngưng, kg/s
Gn : lưu lượng nước lạnh tưới vào tháp, kg/s
: tốc độ hỗn hợp nước và hơi đã ngưng chảy trong ống, thường lấy
=0.5 0.6 m/s Vậy chọn = 0.55 m/s d : đường kính trong ống baramet, m
𝜋.0,55 = 0,145 m Chọn đường kính ống baromet db = 150 mm
H = h1 + h2 + 0.5 , m (công thức VI.58 trang 86 Tài liệu [2])
▪ h1 : chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ
▪ h2 : chiều cao cột nước trong ống dẫn cần để khác phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống
Tính h1, (công thức VI.59 trang 86 Tài liệu [2])
P ’ độ chân không trong thiết bị ngưng tụ P ’ = 0.75 at = 551,859 mmHg
Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87:
Ta lấy hệ số trở lực khi vào ống 𝝃1=0,5 và khi ra khỏi ống 𝜉2 = 1 thì công thức VI.60 sẽ có dạng:
𝑑 𝑏𝑟) , m (công thức VI.60 trang 87 Tài liệu [2])
H : chiều cao ống baromet, m d : đường kính trong ống baromet, d = 0.15 m
: hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống
Re Với: = 0.55 m/s vận tốc nước chảy trong ống
Trang 91 d = 0.15 m đường kính trong ống baromet
n = 990,375 kg/m 3 khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 44,346 o C à = 0,605.10 -3 Ns/m 2 độ nhớt động lực của nước ở nhiệt độ trung bỡnh 44,346 o C
Chiều dày thành thiết bị 5 mm
Hỗn hợp khí và hơi ra nối với thiết bị thu hồi 70 mm Đường kính ống nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet 50 mm
Khoảng cách từ tâm thiết bị ngưng tụ đến tâm thiết bị thu hồi 625 mm Đường kính thiết bị thu hồi 400 mm
Chiều cao thiết bị thu hồi 1440 mm
Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi 70 mm Ống thông khí 50 mm
Tốc độ hút của bơm chân không ở 0 o c và 760 mmHg
Công suất bơm chân không (II.243a, trang 465, [1]) m : chỉ số đa biến, thường m = 1,2 → 1,62 Lấy m = 1,3 p1 : áp suất trước khi nén p1 = P – Ph = 0,25 – 0,064 = 0.186 at = 18246,6 N/m 2
Ph = 0,064 áp suất hơi nước trong hỗn hợp p2 : áp suất sau khi nén P2 = Pa = 1 at = 9,81.10 4 N/m 2
Vkk : thể tích không khí cần hút, m 3 t : thời gian cô đặc, s
Tốc độ hút ở 0 o C và 760 mmHg: 0,4 m 3 /ph
Ap suất giới hạn: 110 mmHg
Công suất động cơ 1.5 kW
Công suất bơm (Theo công thức II.189, trang 439, [1])
600 = 2,36 10 −3 m 3 /s η – Hiệu suất của bơm Chọn η = 0,8
Phương trình Bernoulli cho 2 mặt cắt 1-1 (mặt thoáng bể chứa nguyên liệu) và 2-2 (miệng ống nhập liệu)
• Z1, Z2 : chiều cao hình học của mặt cắt so với đất Chọn Z1 = 2 m, Z2 = 6,5 m
• p1,p2 : áp suất tại 2 mặt cắt p1 = p2 = 1 at
• v1,v2 : vận tốc dung dịch tại 2 mặt cắt, m/s v1 = 0 v2 = v : vận tốc dung dịch đi trong ống, m/s
• h1-2 : tổng tổn thất trong ống, m
: tổng hệ số tổn thất cục bộ ξ = ξ 𝑣à𝑜 + 2 ξ 𝑘ℎ𝑢ỷ𝑢 90 + 2 ξ 𝑣𝑎𝑛 + ξ 𝑟𝑎 = 0,5 + 2.1,19 + 2.0,5 + 1 = 4,88 l, d : chiều dài, đường kính ống nối bơm, m
Chọn đường kính d = dhút = dđẩy = dnl = 60 mm
Vận tốc chảy trong ống
0,458.10 −3 = 116065,729 Với : khối luợng riêng dung dịch đường 15%, kg/m 3 ; 61,04 kg/m 3
: độ nhớt động lực của dung dịch đường 15%, Pa.s; =0,458.10 -3 Pa.s
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm
Re gh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Re n được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
Vậy Regh < Re < Ren (khu vực quá độ)
→ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
116065,729) 0,25 = 0,028 Chiều dài đường ống từ bể lên cửa nhập liệu l = 7 m
Tổng tổn thất áp suất
Chọn Cột áp của bơm
Chọn bơm theo bảng 1.7 trang 35 Tài liệu [3]
Số vòng n = 48.3 v/ph Động cơ điện: Loại A02-31-2
5.3.2.3 Bơm vào thiết bị ngưng tụ
Công suất bơm (Theo công thức II.189, trang 439,[1])
: khối lượng riêng của nước ở 30 o C, 5,7 kg/m 3
: hiệu suất của bơm, η = 0,72 ÷ 0,93 Chọn = 0.8
Q : lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ, m 3 /s
Phương trình Bernoulli cho 2 mặt cắt 1-1 (mặt thoáng bồn chứa nước vào thiết bị ngưng tụ) và 2-2 (mặt thoáng cửa vào ống dẫn nước)
• Z1, Z2 : chiều cao hình học của mặt cắt so với đất Chọn Z1 = 2 m, Z2 = 12 m
• p1 : áp suất tại mặt cắt 1-1, p1 = 1 at → mH2O
• p2 : áp suất tại mặt cắt 2-2, p2 = 0.25 at → 𝑃 2
• v1,v2 : vận tốc nước tại 2 mặt cắt, m/s v1 = 0 v2 = v : vận tốc nước chảy trong ống, m/s
• h1-2 : tổng tổn thất trong ống, m
: tổng hệ số tổn thất cục bộ ξ = ξ 𝑣à𝑜 + 2 ξ 𝑘ℎ𝑢ỷ𝑢 90 + 2 ξ 𝑣𝑎𝑛 + ξ 𝑟𝑎 = 0,5 + 2.1,19 + 2.0,5 + 1 = 4,88 l, d : chiều dài, đường kính ống nối từ bể chứa đến thiết bị ngưng tụ, m
Chọn đường kính d = dhút = dđẩy = dnl 0 mm
Vận tốc chảy trong ống
0,801.10 −3 = 137359,363 Với : khối luợng riêng của nước ở 30 o C, kg/m 3 ; 5,7 kg/m 3
: độ nhớt động lực của nước ở 30 o C, =0,801.10 -3
Chọn độ nhám ống thép mm
Re gh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Re n được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: p 1 10
Vậy Regh < Re < Ren (khu vực quá độ)
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
137359,363) 0,25 = 0,025 Chọn chiều dài đường ống từ bể lên cửa nhập liệu l = 15 m
Tổng tổn thất áp suất
Chọn Cột áp của bơm
1000.0,8 = 0,328 𝑘𝑊 Chọn bơm theo bảng 1.7 trang 35 Tài liệu [3]
Số vòng n = 48,3 v/ph Động cơ điện: Loại A02-51-2
Công suất N = 10 kW Hiệu suất
− Vật liệu chế tạo là thép CT3 và thủy tinh
− Đường kính của kính quan sát: D = 100 mm
− Kính được bố trí sao cho mực chất lỏng có thể được nhìn thấy Do đó, có 2 kính giống nhau ở 2 bên buồng bốc, tạo thành góc 180 o
− Vật liệu chế tạo là thép CT3 Đường kính của cửa sửa chữa: D = 400mm