Thiết kế hệ thống cô đặc NaOH một nồi, buồng đốt ngoài tuần hoàn cưỡng bức

LỜI NÓI ĐẦU 4 PHẦN I.TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC 5 I. NGUYÊN LIỆU 5 1. Tính chất hóa lí 5 2. Điều chế sản xuất 5 3. Ứng dụng 6 II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 6 1. Định nghĩa 6 2. Các phương pháp cô đặc 7 3. Phân loại và ứng dụng 7 4. Các thiết bị và chi tiết 8 III. THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH 9 PHẦN II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10 I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 10 II. THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 10 PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 11 I.CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11 1.Thông số quá trình 11 2.Cân bằng vật chất 11 3.Tổn thất nhiệt 11 4.Cân bằng năng lượng 13 II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 16 1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: 16 2. Tính kích thước thiết bị cô đặc 19 3. Tính bền cơ khí cho các thiết bị chi tiết 23 III. Tính toán và thiết kế thiết bị phụ 39 1.Thiết bị gia nhiệt 39 2.Thiết bị ngưng tụ 43 3.Bồn cao vị 50 4.Bơm 51 5.Bề dày lớp cách nhiệt 56 6.Cửa sữa chữa 57 7.Kính quan sát 57 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

KHOA HÓA HỌC & CNTP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Nhóm:… Lớp: DH10H1

Họ tên sinh viên: Nguyễn Quang Đạo MSV: 1052010040

- Phần II: Quy trình công nghệ

• Sơ đồ quy trình công nghệ

• Thuyết inh quy trình công nghệ

- Phần III: Tính toán thiết kế

• Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng

• Tính toán thiết bị chính

• Tính toán lựa chọn thiết bị phụ

- Phần IV: Bản vẽ thiết bị chính (vẽ tay)

III Ngày giao nhiệm vụ: 17/02/2014

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/05/2014

Tp Vũng Tàu, ngày 10 tháng 5 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn

ThS Nguyễn Quốc Hải

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

PHẦN I.TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC 5

I NGUYÊN LIỆU 5

1 Tính chất hóa lí 5

2 Điều chế sản xuất 5

3 Ứng dụng 6

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 6

1 Định nghĩa 6

2 Các phương pháp cô đặc 7

3 Phân loại và ứng dụng 7

4 Các thiết bị và chi tiết 8

III THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH 9

PHẦN II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

I SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 10

II THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 10

PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 11

I.CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11

1.Thông số quá trình 11

2.Cân bằng vật chất 11

3.Tổn thất nhiệt 11

4.Cân bằng năng lượng 13

II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 16

1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: 16

2 Tính kích thước thiết bị cô đặc 19

3 Tính bền cơ khí cho các thiết bị chi tiết 23

III Tính toán và thiết kế thiết bị phụ 39 Khoa Hóa Học & CNTP Trang 2 Chuyên ngành Hóa Dầu

1.Thiết bị gia nhiệt 39

2.Thiết bị ngưng tụ 43

3.Bồn cao vị 50

4.Bơm 51

5.Bề dày lớp cách nhiệt 56

6.Cửa sữa chữa 57

7.Kính quan sát 57

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm cuối,môn học Đồ án Quá Trình và Thiết

Bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệhóa học Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việctoán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thôngdụng

Cô đặc một nồi liên tục dung dịch NaOH tuần hoàn cương bức dạng đốt ngoài là đề án

được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy Nguyễn Quốc Hải….bộ mônQuá Trình và Thiết Bị -Khoa Công Nghệ Kỹ Thuật hóa học trường Đại Học Bà RịaVũng Tàu, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cũng như các thầy cô của bộ mômQuá Trình Thiết Bị và những người bạn đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thựchiện

Vì đồ án Quá Trình và Thiết Bị là đề tài lớn đầu tiên mà chúng tôi đảm nhận nên thiếusót và hạn chế Trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi Do đó, chúng em rấtmong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ thầy cô giáo và bạn bè để củng cố và mở rộngkiến thức chuyên môn

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 4 Chuyên ngành Hóa Dầu

PHẦN I.TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

I NGUYÊN LIỆU

1 Tính chất hóa lí

Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng,có dạng tinh thể ,khốilượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển.NaOH tan tốt trong nước(1110 g/l ở 20 oC) tỏa nhiệt mạnh NaOH tan ít trong cácdung môi hữu cơ như methanol,ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấpthụ CO2 không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín Nó phản ứngmãnh liệt với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn, hòa tan trong etannolvàmetannol Nó cũng hòa tan trong ete và các dung môi không phân cực, và để lại màuvàng trên giấy và sợi

Dung dịch NaOH là một baze mạnh,có tính ăn mòn và có khả năng ăn mòncao.ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hóa chất

cơ bản và lâu năm.nó đóng vai trò lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệpkhác như dệt,tổng hợp tơ nhân tạo,lọc hóa dầu,sản xuất phèn…

2 Điều chế sản xuất

Toàn bộ dây chuyền sản xuất xút ăn da (NaOH) là dựa trên phản ứng điện phânnước muối (nước cái) Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phânthành clo nguyên tố (trong buồng anốt), dung dịch natri hyđroxit, và hidro nguyên tố(trong buồng catôt) Nhà máy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường đượcgọi là nhà máy xút-clo Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:

2 Na + + 2 H2O + 2 e - → H2 + NaOHPhản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bìnhđiện phân có màng ngăn:

NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

Các kiểu buồng điện phân

Điểm phân biệt giữa các công nghệ này làở phương pháp ngăn cản không chonatri hyđroxit và khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo ra các sản phẩm tinh khiết

▪ Buồng điện phân kiểu thủy ngân

Trong buồng điện phân kiểu thuỷ ngân thì không sử dụng màng hoặc màn chắn mà sửdụng thuỷ ngân như một phương tiện chia tách

▪ Buồng điện phân kiểu màng chắn

Trong buồng điện phân kiểu màng chắn, nước muối từ khoang anôt chảy qua màngchia tách để đến khoang catôt; vật liệu làm màng chia tách là amian phủ trên catôt cónhiều lỗ

▪ Buồng điện phân kiểu màng ngăn

Còn trong buồng điện phân kiểu màng ngăn thì màng chia tách là một màng trao đổiiôn

 NaOH cũng được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với ddung dịch

Na2CO3 loãng và nóng.tuy nhiên,sản phẩm thu được thường có nồng độ rấtloãng,gây khó khăn trong việc chuyên chở đi xa.Để thuận tiện cho chuyênchở và sử dụng,người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhấtđịnh theo yêu cầu

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ởnhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóngmột thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ Truyền nhiệt trong quátrình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khóiKhoa Hóa Học & CNTP Trang 6 Chuyên ngành Hóa Dầu

lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bãohòa để đốt nóng.

Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quantrọng Nó được ứng dụng với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh )

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất ( áp suất chân không, áp suấtthường hay áp suất dư ) trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thểgián đoạn hay liên tục

2 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạngthái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụnglên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách radạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nông độ chấttan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trìnhkết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

3 Phân loại và ứng dụng

∗Theo cấu tạo

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịchkhá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bềmặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng đốt), có thể có ống tuần hoàn trong hoặcngoài

- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5– 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùngcho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.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, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâulàm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dungdịch nước trái cây, hoa quả ép…Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạobọt khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạobọt và bọt dễ vỡ.

∗Theo phương pháp thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thườngdùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại

và thời gian cô đặc ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chânkhông Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì

sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cảhai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệuquả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển

tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

4 Các thiết bị và chi tiết

 Thiết bị chính:

 Ống nhập liệu, ống tháo liệu

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

 Thiết bị gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ baromet

 Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị

 Bơm tháo liệu

 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

 Bơm chân không

 Các van

 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

*Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ

+ Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaOH từ bể chứa nguyên liệu vàonồi cô đặc.

+ Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làmviệc

Thiết bị cô đặc:

Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc

và buồng đốt Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuầnhoàn trung tâm có đường kính lớn hơn

Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hổn hợplỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ

Thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công nghệ là loại thiết bị ngưng tụtrực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet) Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trêncùng thiết bị Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được đặt ởmột độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cầnmáy bơm

- Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van

III THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH

- Năng suất : 7680 tấn/năm

- Số ngày làm việc: 320 ngày/năm

- Năng suất sản phẩm: Gc = 1000 kg/h

- Nồng độ đầu: xđ = 18%

- Nồng độ cuối: xc = 30%

- Áp suất ngưng tụ: Pc = 0,6 at

- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: tđ = 300C

PHẦN II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

II. THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Nguyên liệu được đưa vào thùng nhập liệu(1), sau đó được bơm qua lưu lượng

kế và qua thiết bị gia nhiệt(2) và được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòarồi đi vào thiết bị cô đặc(3) Ở thiết bị cô đặc dung dịch được tiếp tục được đun nóngbằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơiđốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Một phần khí không ngưng đượcđưa qua của tháo khí không ngưng Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng củatháo nước ngưng Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ.Dung dịch sản phẩm của thiết bị cô đặc(3) được bơm qua lưu lượng kế và qua thiết bịlàm lạnh(4) để vào bồn chứa sản phẩm(7)

Hơi thứ bốc ra khỏi thiết bị cô đặc(3) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet(5) Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ đượcngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng

đi qua thiết bị tách lỏng(6) hơi sẽ được bơm chân không (10) hút ra ngoài còn hơi thứngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 10 Chuyên ngành Hóa Dầu

PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

1. THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH

• Năng suất sản phẩm: Gc = 1000 kg/h

• Nồng độ đầu: xđ = 18%

• Nồng độ cuối: xc = 30%

• Áp suất ngưng tụ: Pc = 0,6 at

• Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: tđ = 300C

2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT

• Suất lượng nhập liệu (Gđ):

Theo công thức 5.16 [5], trang 277

• Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ Pc = 0,6 at

 Nhiệt độ của hơi thứ trong TBNT tc = 85,50C (tr314,[1])

• Ta lại có ∆’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo [5], tr 280, chọn ∆’’’ = 1 K

• Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc P0

tsdm(P0) – tc = ∆’’’ = 1 K

 tsdm(P0) = tc +1 = 85,5 + 1 = 86,5 0C

• Áp suất tại buồng bốc:

Tra [1], tr 312: ở nhiệt độ 86,5 0C là P0 = 0,6275 at

a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng

Theo Tisenco CTV110, [2], tr 59: ∆’ = ∆’0.f

- ∆’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiết độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển

Do cô đặc có tuần hoàn dung dịch, nên lấy a = xc = 30%

Tra từ bảng (VI.2,[2],tr67) được ∆’0 = 17

- f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:

f = 16,2 (CTVT11,[2],tr 59)

t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, t = 86,5 0C

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, r = 2293,25 kJ/kg (B I251,tr 314, [1])

 f = 16,2 = 0,9130

Thay số, ta được: ∆’ = 17 0,9130 = 15,521

Ta có: tsdd(P0) = tsdm(P0) + ∆’ = 86,5 + 15,521 = 102,021 0C

Tra sổ tay 1 I.250 trang 312 tại Ptb = 0,6611 at, ta có tsdm(Ptb) = 87,822 0C

Suy ra: ∆’’ = tsdm(P0 + ∆P) – tsdm(Po)

= tsdd(P0 + ∆P) – tsdd(P0)

= 87,822 – 86,5 = 1,322 0C

 tsdd(Ptb) = tsdd(P0) + ∆’’ = 102,021 + 1,322 = 103,343 0C

Sai số 0,28% chấp nhận được Vậy tsdd(Ptb) = 103 0C

Lấy sản phẩm ra tại đáy:

4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

• Cân bằng nhiệt lượng:

Vậy nhiệt độ đầu vào thiết bị cô đặc là tđ = 102,021 0C

• Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bị:

= 4186 – (4186 – 1310,75).0,3 = 3323,425 J/kg.KVới cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141, tr 152,[1]:

cct = = = 1310,75 J/kg.K

• Thành lập phương trình cân bằng nhiệt:

Gđcđtđ + D i’’ D + φDctD = Gccctc + W i’’W + Dcθ ± Qcđ + Qtt

(+Qcđ): khi cô đặc thu nhiệt

(-Qcđ): khi cô đặc tỏa nhiệt

Nhiệt lượng do hơi bão hòa cung cấp: QD = D(1 – φ)( i’’ D – cθ)

 Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ hơi đốt vào (không có

quá lạnh sau khi ngưng) thì ( i’’ D – cθ) = rD = 2141 kJ/kg, ẩn nhiệt ngưng

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 14 Chuyên ngành Hóa Dầu

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Nhiệt dung riêng dd 30% cc J/kg.K 3323,425

II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:

a. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

 Giảm tốc độ hơi nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằngcách chia làm nhiều miệng vào Do chọn tốc độ hơi nhỏ (w = 10m/s) Màng nướcngưng chuyển động dòng (do ống truyền nhiệt ngắn chọn h0 = 1,5m) Ngưng hơibão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng Ta có theo công thức (V.101),[2],tr 28:

= 2,04.A.()0.25

Trong đó:

- r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước ở áp suất hơi đốt là 4 at

Tra [1], tr 314: r = 2141.103 J/kg

- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = h0 = 1,5m

- A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm, tm = (tD + tvl)/2

Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là tvl = 139,8 0C, tD = 142,9 0C

tm = (135.8 + 142.9)/2 = 141,35 0CTra [2], tr 28, ta được A = 194,405

- 1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2K

- ∆t1 = tD – tv1 = 142,9 – 139,8 = 3,10C

 1 = 2,04.194,405.( 0,25 = 10330,67 W/m2K

 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:

q1 = 1 ∆t1 = 10330,67 3,1 = 32025,08 W/m2K

b. Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch

 Theo công thức VI.27,[2],tr 71:

Ta chọn tv2 = 112,4337 0C

∆t = tv2 – tsdm(P0) = 112,4337 – 103 = 9,4337 0C

 n = 0,145 (61536,73)0,5 (9,4337)2,33 = 6173,44 W/m2

- Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.C

- Cn: nhiệt dung riêng của nước (ở 1030C), J/kg.C

- độ nhớt dung dịch, Pa.s

- n: độ nhớt nước (ở 1030C), Pa.s

- khối lượng riêng dung dịch, kg/m3

- khối lượng riêng nước (ở 1030C), kg/m3

- λdd: độ dẫn nhiệt dung dịch, W/m2K

- λn: độ dẫn nhiệt nước (ở 1030C), W/m2K

 Bảng giá trị:

r1: nhiệt trở phía dung dịch, r1 = 0,3448 10-3 W/m2.K tr29,[8]

r2: nhiệt trở phía hơi nước, r2 = 0,387 10-3 W/m2.K tr4,[2]

: bề dày ống truyền nhiệt, = 2 mmλ: hệ số dẫn nhiệt của ống, λ = 16,3 m2K/W (với ống là thép không gỉ OX18H10T), tra B.XII.7,[2], tr313

 ∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, ∆tv = tv1 – tv2

∆tv = qv Σrv = 32025,08 0,8545 10-3 = 27,3663 0C(vì quá trình truyền nhiệt là ổn định nên q1 = q2 = q)

 Nhiệt tải riêng phía dung dịch:

q2 = 2 ∆t2 =3377,42 9,4337 = 31861,55 W/m2

d. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng

• Dùng phương pháp số ta lần lượt tính lặp theo các bước sau:

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 16 Chuyên ngành Hóa Dầu

 Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: tv1, tính được ∆t1

Sai số < 5% chấp nhận được (các thông số đã cho phù hợp)

Nhiệt thải trung bình là:

qtb = = = 31943,32 W/m2

e. Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

- W: lượng hơi thứ bốc lên (kg/h)

- h: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P0 = 0.6275 at Tra từ [1], tr 314: h = 0,3743

Trong đó:

- ,: khối lượng riêng của giọt lỏng, [1], tr310: , = 967,61 kg/m3

- ,,: khối lượng riêng của hơi, tr314: ,, = 0,3743 kg/m3

- d: đường kính giọt lỏng, từ điều kiện ta chọn d = 0,0003 m (tr292,[5])

- g = 9,81 m/s2

- : hệ số trở lực, tính Re:

Re = = = Với:

-h: là độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,6275 at tra [1], tr 121, ta được: h = 0,012.10-3 Nm/s2

-Nếu 0,2< Re < 500 thì = 18,5/Re0,6 = 6,3832

-Theo [5], điều kiện: Wh < 70% - 80% W0

Chọn Wh < 70%

< 0,7  Db > 0,7858 mChọn Db = 800mm (theo dãy chuẩn)

- Kiểm tra lại Re:

Re = 5,8915/0,82 = 9,2055 (thỏa 0,2 < Re < 500)Vậy đường kính buồng bốc Db = 800 mm

 Chiều cao buồng bốc:

- f: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

- Utt (1 at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích hoei nước bốc lên trên một đơn vị thể tích của không gian hơi trong một đơn vị thời gian m3/m3.h)

F = 25 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

l = 1,5m: chiều dài của ống truyền nhiệt

d: đường kính ống truyền nhiệt

Do 1 > 2 nên lấy d = dt = 38mm

Vậy số ống truyền nhiệt là: n = = = 139,61 ống

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 18 Chuyên ngành Hóa Dầu

Chọn n = 187 ống ([2],tr 48,V.11) bố trí theo hình lục giác đều.

 Đường kính ống tuần hoàn:

- = 1,5m: chiều dài của ống truyền nhiệt

- dth = 0,273 + 2.0,002 = 0,277m: đường kính ngoài của ống tuần hoàn

- F = 25m2: diện tích bề mặt truyền nhiệtThay số, ta được:

dt = = 0,486 mChọn dt = 600mm (theo tiêu chuẩn,[5], tr291)

 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 169

Số ống trong các hình viên phân

Dãy 1

Dãy 2

30

3. Tính bền cơ khí cho các thiết bị chi tiết

Chọn vật liệu làm buồng đốt và buồng bốc là OX18H10T

a. Tính cho buồng đốt

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 20 Chuyên ngành Hóa Dầu

 Sơ lược về cấu tạo:

• Buồng đốt có đường kính trong dt = 600mm, chiều cao ht = 1500mm

• Thân có 3 lỗ: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng

 Tính toán:

 Tính bề dày tối thiểu (S):

- Hơi đốt là hơi nước bão hòa có áp suất 4 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:

Pm = PD – Pa = 4 – 1 = 3 at = 0,2943 N/mm2

Áp suất tính toán là Pt = Pm + gh = 0,2943 + 1273,25 9,81.10-6 1,5 = 0,313 N/mm2

- Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 142,9 0C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:

ttt = tD + 20 = 142,9 + 20 = 162,9 0C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

- Theo hình 1.2, tr 16,[7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là: []* =

Dt = 600 mm, đường kính trong của buồng đốt

Pt = 0,313 N/mm2: áp suất tính toán của buồng đốt

 Bề dày thực (S):

- Dt = 600 mm  Smin = 3 mm > 0,9047 mm

 chọn S’= Smin = 3mm (theo bảng 5.1,tr 94,[7])

- Chọn hệ số ăn mòn hóa 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 cho dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm (B XIII.9,tr364,[2])

Vậy bề dày buồng đốt là 5 mm

 Đường kính ngoài của buồng đốt:

- Dt = 600mm: đường kính trong của buồng đốt

- S = 5mm: bề dày của buồng đốt

- Ống dẫn nước ngưng: : Dt = 34mm > dmax

- Ống xả khí không ngưng: Dt = 34mm > dmax

Như vậy ta cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào 9 (dung bạc tăng cứng), chọn

bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân = 5mm

b. Tính cho buồng bốc

 Sơ lược cấu tạo:

- Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 800mm,chiều cao Ht = 2000mm

- Thân có 5 lỗ: 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

 Tính toán:

 Bề dày tối thiểu (S’):

- 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 0,6725 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

- Chọn hế số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (B 1.6,tr14,[7]

- Ứng suất chảy của vật liệu là:

Trong đó:

- Dt = 800mm: đường kính trong của buồng bốc

- Pn = 0,1346 N/mm2: áp suất tính toán của buồng bốc

- L = 2000mm: chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích

 Bề dày thực (S):

- Dt = 800mm  Smin = 3mm < 6,435 mm

 Chọn S’ = 6,435mm (B 5.1,tr94,[7])

- Chọn hệ số ăn mòn hóa 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 cho dung sai của chiều dày C0 = 0,5 mm (B XIII.9,tr364,[2])

 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] (5.19,tr99,[7])

 Đường kính ngoài của buồng bốc:

- Dt = 800mm: đường kính trong của buồng bốc

- S = 9mm: bề dày của buồng bốc

c. Tính cho đáy thiết bị

 Sơ lược cấu tạo:

 Chọn đáy nón tiêu chuẩn: Dt = 600 mm

 Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2 = 600

 Chiều cao phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt Hc:

- Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc

- Thể tích của các ống truyền nhiệt:

+ Dth: đường kính ống tuần hoàn (m)

+ l: chiều dài ống truyền nhiệt (m)

+ l’: chiều dài hình học của đáy (m)

- Thể tích dung dịch đi vào thiết bị:

V = 2 = 2 = 2 393,18 = 0,317 m3

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 24 Chuyên ngành Hóa Dầu

- Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt:

V3 = V – V1 – V2 = 0,317 – 0,183 - 0,071 = 0,063 m3

- Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là Hgc = 40mm

 Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:

Hc: chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt (m)

Hgc: chiều cao của chất lỏng trong phần gờ với buồng đốt (m)

Hbđ: chiều cao của chất lỏng trong buồng đốt (m)

Hđ: chiều cao của chất lỏng trong đáy nón (m)

- Áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị:

Ptt = dd.g.H’ = 1273,25 9,81 2,284.10-6 = 0,028 N/mm2

- Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là P0 = 0,6275 at nên chịu áp suất ngoài là 1,3725 at = 0,1346 N/mm2 Ngoài ra đáy còn chịu áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị Như vậy áp suất tính toán là:

+ l’: chiều cao tính toán của đáy l’ = H = 544 mm

+ D’: đường kính tính toán của đáy (CT 6.29, tr 133,[7])

+ ] = []* = 0,95.120 = 114 N/mm2: ứng suất cho phép của vật liệu

+ Et = 2,05.105 N/mm2: module đàn hồi của vật liệu (B.2.12, tr 34,[7])

+ nc = 1,65: hệ số an toàn khi chảy (B 1.6,tr 14,[7])

+ = nc[]* = 1,65.120 = 198 N/mm2: giới hạn chảy của vật liệu (CT 1.3, tr 13,[7])

- Chọn bề dày tính toán S = 5mm, bằng với bề dày thực của buồng đốt

 Kiểm tra bề dày đáy:

= = 0,866

Theo CT 5.15 ,[7],tr99:

1,5 ≤ ≤

⇔ 1,5 ≤ 0,866 ≤