Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ hóa học

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Nhiệm vụ cụ thể của đồ án môn học này là Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% đến nồng độ 40% , năng suất n

Mục Lục

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 4

I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN 4

II TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU 4

III CÔ ĐẶC 4

1 Định nghĩa 4

2 Các phương pháp cô đặc 4

3 phân loại và ứng dụng 4

4 Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn 5

IV QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 6

1 Thuyết minh quy trình công nghệ 6

2 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ 7

CHƯƠNG II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 8

A CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 8

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT 8

1 Cân bằng vật chất 8

B Thiết kế thiết bị chính 13

I Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 13

1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 13

2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 13

3 Nhiệt tải riêng phía tường 14

4 Nhiệt tải riêng trung bình 15

5 Tiến trình các tải nhiệt riêng 15

6 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 15

7 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 16

C Tính kích thước thiết bị cô đặc 16

I Tính kích thước buồng bốc 16

1 Đường kính buồng bốc 16

2 Chiều cao buồng bốc 17

II Tính kích thước buồng đốt 17

1 Số ống truyền nhiệt 17

2 Đường kính ống tuần hoàn 18

3 Đường kính buồng đốt ( Dt ) 18

4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt 19

III Tính kích thước các ống dẫn 19

1 ống nhập liệu 19

2 ống tháo liệu 20

3 ống dẫn hơi đốt 20

4 ống dẫn hơi thứ 20

5 ống dẫn nước ngưng 20

6 ống dẫn khí không ngưng 21

D tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc 21

1 tính cho buồng đốt 21

2 Tính cho buồng bốc 23

3 Tính cho đáy buồng bốc 27

4 Tính cho nắp buồng bốc 30

5 Tính cho nắp buồng đốt 32

6 Tính cho đáy buồng đốt 34

7 Tính mặt bích 34

8 Tính vỉ ống 34

9 Khối lượng và tai treo buồng bốc 37

10 Khối lượng và tai treo buồng đốt 40

CHƯƠNG III THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ 44

I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 44

1 Chọn thiết bị ngưng tụ 44

2 tính thiết bị ngưng tụ 44

II Bơm 49

1 Bơm chân không 49

2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 50

KẾT LUẬN 55

Lời nói đầu

Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người

ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng

độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn

Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịch hóa chất

là thiết bị cô đặc Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến Vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sữa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu Trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ hóa học là một môn học giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm

vụ trong sản xuất, có những kỹ năng tính toán cần thiết sau khi ra làm việc thực tế Làm đồ án giúp cho sinh viên biết hệ thống hóa kiến thức đã được học vào trong thực tế, mỗi sinh viên sẽ tự biết sử dụng trong việc tra cứu các thong số cần thiết, vận dụng đúng các kiến thức đã được học trong tính toán một cách chính xác, tỉ mỉ từng bước tránh những sai sót đáng tiếc về sau, nâng cao kỹ năng trình bày và đọc được bản vẽ thiết bị một cách có hệ thống

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án môn học này là Thiết kế thiết bị cô đặc chân không

một nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% đến nồng độ 40%

, năng suất nguyên liệu 600kg, sử dụng ống chùm

NaOH là một khối tinh thể trong suốt, màu trắng, ăn da mạnh

Nhiệt độ nóng chảy là 3180C

Nhiệt độ sôi là 13880C

Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO2 của không khí, dễ chảy rửa thành Na2CO3 NaOH dễ dàng tan trong nước, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch NaOH (dạng dung dịch được sử dụng nhiều)

III CÔ ĐẶC

1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2 hai nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi sang dạng hơi

2 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng

thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác

dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ

tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi

để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

3 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 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 pháp thực hiện

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô

áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển

tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy

4 Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn

Ưu điểm

- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi

- Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng

- Thao tác dễ dàng

- Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau

- Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch

- Cấu tạo đơn gỉan, giá thành thấp

Nhược điểm

- Quá trình không ổn định, tính chất hóa lí của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian

- Nhiệ t độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác

- Khó giữ được độ chân không trong thiết bị

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 10% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm vào buồng đốt bằng bơm nhập liệu Khi đã nhập đủ 600kg thì bắt đầu cấp hơi đốt vào buồng đốt để gia nhiệt

Buồng đốt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên

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

dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào buồng bốc để cô đặc và thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài Dung môi là nước bốc hơi sẽ thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt hơi thứ được dẫn qua thiết

bị ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:

Dung dịch đi trong ống truyền nhiệt còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống ở buồng đốt Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống dung dịch sau khi đạt tới nhiệt độ sôi cần thiết sẽ được chảy qua buồng bốc bằng ống tuần hoàn ngoài để thực hiện quá trình bốc hơi và cô đặc ống tuần hoàn nối với đáy buồng bốc được

khóa lại bằng van và dung dịch sau khi đạt được nồng độ 40% sẽ được tháo ra bồn chứa qua ống tháo liệu dưới đáy buồng bốc nếu trong quá trình gia nhiệt dung dịch đi trong buồng đốt rồi được đưa vào buồng bốc nhưng chưa được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi thì van ống tuần hoàn nối với đáy buồng bốc sẽ mở để hoàn lưu dung dịch trở lại buồng đốt bằng bơm tuần hoàn, để tiếp tục gia nhiệt cho dung dịch

 Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị 

 Bơm tháo liệu 

CHƯƠNG II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

A CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Các số liệu ban đầu:

nồng độ đầu 10%

Nồng độ cuối 40%

Năng suất nhập liệu Gđ = 600kg

Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 300c

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất 4at

Áp suất chân không cô đặc: Pck = 0.7at  Pc = 1 – 0.7 = 0.3

a Suất lượng tháo liệu (Gc)

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]

Gđ = W + Gc

 W = Gđ – Gc = 600 – 150 = 450kg

Trong đó:

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 mỗi giai đoạn

Gđ.xđ, Gc.xc: khối lượng NaOH trong dung dịch, kg

b Tổn thất nhiệt độ

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là Pc = 0.3at

 Nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tc = 68,70c (bảng I.251, trang 314 [1] )

∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ chọn ∆’’’ = 10c ( trang 296 [5] )

Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc

Tsdm (P0) = tc + ∆’’’ = 68,7 + 1 = 69,70c

Áp suất buồng bốc ( tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 69,70c

 P0 = 0,3139 at

c Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’)

Theo công thức TisenCo ( VI.10 trang 59 [2] )

∆’ = ∆’0.f Trong đó

∆’0: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển

Dung dịch được cô đặc tuần hoàn nên

A = Xc = 40%

Trong bảng VI.2 trang 67 [2]  ∆’0 = 280c

f _ hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11 trang 59, [2]

f = 16,14.(𝑡+273)2

𝑟trong đó

t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho ( tsdm (Po) = 69,70c )

r - ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, trong bảng I.251, trang 314 [1] r = 2333,732 KJ/Kg

 F = 16,14 (69,7+273)2

2333,732.1000 = 0.812

 ∆’ = 28 0,812 = 22,7360c

 Tsdd (Po) = tsdm (Po) + ∆’ = 69,7 + 22,736 = 92,4360c

d Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆p (N/m2), ta có

∆p = 1

2 𝜌s.g.Hop , N/m2

Trong đó 𝜌s – khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sủi bọt, Kg/m3

Hop – chiều cao lớp chảy lỏng sôi

Hop = [ 0.26 + 0.0014(𝜌dd – 𝜌dm) ] Ho

Với Ho – chiều cao ống truyền nhiệt

𝜌dm – khối lượng riêng của dung môi ở tsdm

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho = 1,5m

Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số (𝜌dd – 𝜌dm) thay đổi không đáng kể nên ta chọn tra 𝜌dd , 𝜌dm ở 200c

𝜌dd (40%) = 1430kg/m3

𝜌dm = 998,23 Kg/m3

 Hop = [ 0,26 + 0.0014.(1430 – 998,23) ] 1,5 = 1,297m

∆p = 0,5 𝜌hh.g.Hop = 0,5.1

2 1430.9,81 1,297 = 4548,68 (N/m2) = 0,046at

 Ptb = P0 + ∆p = 0,3139 + 0,046 =0,3599at

Nhiệt độ sôi của nước ở 0,3599at là 72,800c ( bảng I.251 trang 312 [1] )

Độ tăng nhiệt độ sôi của cột thủy tĩnh

Po

Tsdd(Po) 0C 92,436

Áp suất trung bình Ptb at 0,3599 Nhiệt độ sôi của dung môi ở

e Cân bằng năng lượng

a Cân bằng nhiệt lượng

 Nhiệt độ dung dịch NaOH 10% đi vào thiết bị cô đặc tđ = 92,4360c

 Nhiệt của dung dịch NaOH 40% đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là

tc = tsdd(Po + 2∆p) = 92,436 + 2.3,1 = 98,6360c ( công thức 2.15 trang 107 [3] )

Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43, I.44 , trang 152 [1]

a =10% ( a < 0,2 )

cđ = 4186 (1 – a ) = 4186 ( 1 – 0.1 ) = 3767,4 J/(Kg.K)

a = 40% ( a > 0,2 )

cc = 4186 – ( 4186 – cct ).a = 4186 – ( 4186 – 1310,75 ) 0,4 = 3035,9 J/(Kg.K)

Với Cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức I.41

 Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( i D" - cθ); W

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

lạnh sau khi ngưng) thì ( i D" - cθ) = rD = 2141 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

Nhiệt dung riêng dung dịch

cấp

B Thiết kế thiết bị chính

I Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h 0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên bề mặt đứng Công thức (V.101), trang 28, [4] được áp dụng:

𝛼 1 = 2,04 A( 𝑟

𝐻.∆𝑡1)0,25 (2) Trong đó:

α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K)

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

H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h 0 = 1,5 m)

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

 cdd = 3490 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb ), tra bảng I.154, trang 172 [1]

 cdm = 4189,24 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb), tra bảng I.249 trang 311 [1]

 𝜇dd = 0,00292Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb), tra bảng I.101 trang 91 [1]

 𝜇dm = 0,000387 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb ), tra bảng I.249 trang 311 [1]

 ρdd = 1378,123 kg/m3 - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), tra bảng I.2 trang 9 [1]

 ρdm = 976,175 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm (ptb ), tra bảng I.5 trang 11 [1]

 λdd = 0,5601 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd (ptb), tra bảng I.130 trang 134 [1]

 λdm = 0,67 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm (ptb), tra bảng I.249 trang 311 [1]

3 Nhiệt tải riêng phía tường

Công thức tính

qv = ∑ 𝑟𝑣∆𝑡𝑣 , W/m2trong đó: ∑rv tổng tở vách ; m2.K/W

∑rv = r1 + 𝛿

𝜆 + r2 = 0,3448.10−3 + 0,002

16,3 + 0,387 10−3

= 0,8545 10-3 m2.K/W

δ = 2 mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt

λ = 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)

Δtv = tv1 - tv2 (3) ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường Truyền nhiệt ổn định qv = q1 = q2

5 Tiến trình các tải nhiệt riêng

Dùng phương pháp số, ta lần lượt tính lặp qua các bước sau:

- Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1

từ đó tính tm theo (1) và Δt1 = tD – tv1

- Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 theo (2), từ đó tính q1

- Đặt qv = q1 , từ đó tính Δtv theo (3)

- Tính tv2 = tv1 – Δtv , từ đó tính Δt2 = tv2 – tsdd (ptb) và hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α2 theo (4)

𝛿q < 5% nên sai số được chấp nhận ( các thông số đã được chọn phù hợp )

6 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc

K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt

1 𝛼1 + ∑ 𝑟𝑣+ 𝛼21 =

1 1

10330,67 +0,8545.10−3+8637,381 = 937,14 W/(m

2.K)

7 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

F = 𝑄𝐷𝐾.∆𝑡ℎ𝑖 =

214480,03 937,14.46,364 = 4,9363 m2Chọn F = 4, 9363 m2

W – suất lượng hơi thứ Kg/h

𝜌ℎ = 0,1957 Kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc

Po = 0,3139at tra bảng I.251, trang 314 [1]

Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc

Wh = 𝑉ℎ𝜋.𝐷𝑏24

= 4.0,6387

𝜋.𝐷𝑏2 = 0,813

𝐷𝑏2 (m/s) Trong đó

𝜌′ = 977,962 Kg/m3 khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm(Po) tra bảng I.249, trang 311 [1]

𝜌ℎ = 0,1957 Kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc

Po = 0,6275at D: đường kính giọt lỏng ; m chọn d = 0,0003m trang 292 [5]

𝜀 hệ số trở lực tính theo Re

Kiểm tra lại Re

Re = 3,978

0,8 2 = 6,2156 ( thỏa 0,2 < Re < 500 )

2 Chiều cao buồng bốc

Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]:

Utt = f Utt (1at); m3/(m3.h) Trong đó:

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

Utt (1at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at Chọn Utt (1at) =

1650 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2])

Hb = 𝑉𝑏

𝜋 𝐷𝑏24

= 4 1,267

𝜋 0,82 = 2,520m Chọn chiều cao buồng bốc Hb= 2,5m

II Tính kích thước buồng đốt

1 Số ống truyền nhiệt

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]:

n = 𝐹 𝜋.𝑑.𝑙 Trong đó

F = 4,9363 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt

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

d – đường kính của ống truyền nhiệt

Vì α 1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm

Số ống truyền nhiệt là

n = 4,9363

𝜋 1,5 0,025 = 41,9 Theo tiêu chuẩn bảng V.11, trang 48 [2] Chọn số ống n = 61, bố trí theo hình lục giác đều

- Số lục giác đều là 4

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác là 9

- Số ống trên 1 cạnh của hình lục giác lớn nhất là 5

2 Đường kính ống tuần hoàn

Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:

Dth = √4.𝑓𝑡

𝜋 ; m Chọn ft = 0,3FD

t – bước ống; m chọn bước ống t = 1,2 – 1,5dn trang 49 [2]

dn = 0,029 m – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

b – số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh đều

 Dt = 1,2.0,029.( 9 – 1) + 4.0,029 = 0,3944m

 Chọn Dt = 400mm theo tiêu chuẩn trang 156, [5]

4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 61

Số ống trong các hình viên phân

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

3 ống dẫn hơi đốt

D = 0,111 kg/s

Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2])

ρ = 0,4718 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1])

Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 0,3139at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2])

ρ = 0,1957 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 314, [1])

 d = √𝜋.𝑣.𝜌4.𝐺 = √ 3600.𝜋.20.0,19574.450 = 0,2017m

 Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435

Đường kính trong 200mm Đường kính ngoài 219mm

5 ống dẫn nước ngưng

Chọn Gn = 13 D

Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 4 at Chọn v = 0,75m/s (trang 74,

[2])

ρ = 923,461 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1])

 D = √𝜋.𝑣.𝜌4.𝐺 = √ 3.𝜋.0,75.923,4614.0,111 = 0,00825m

 Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435

Đường kính trong 20mm Đường kính ngoài 25mm

a sơ lược về cấu tạo

Buồng đốt có đường kính trong Dt = 400 mm, chiều cao Ht = 1500 mm

Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

b tính toán

Bề dày tối thiểu S’:

Hơi đốt là hơi nước bão hoà 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 + ρgH = 0,2943 + 1273,25.9,81.10-6 1,5 = 0,313 N/mm2Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 142,90C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:

ttt = tD + 20 = 142,9 + 20 = 162,90C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt) Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là: [σ]* = 115 N/mm 2

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7])

 ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η [σ]* = 0,95.115 = 109,25 N/mm2

Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05.105 N/mm2

Xét:

[𝜎].𝜑

𝑃𝑡 =

109,25.0,95 0,313 = 331,66 > 25 Theo công thức 5-3, trang 96, [7]:

S’ = 𝐷𝑡 𝑃𝑡2.[σ].𝜑 = 400.0,313

2.109,25.0,95 = 0,6032 mm Trong đó:

φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía)

Dt = 400 mm – đường kính trong của buồng đốt

Pt = 0,313 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt

Kiểm tra bề dày buồng đốt:

= 1,545 N/mm2 > P t = 0,313 N/mm2

Vậy bề dày buồng đốt là 4mm

 Đường kính ngoài của buồng đốt

Dt = 400 mm – đường kính trong của buồng đốt

S = 4 mm – bề dày của buồng đốt

k – hệ số bền của lỗ

k = 𝑃𝑡.𝐷𝑡(2,3.[𝜎]− 𝑃𝑡).(𝑆−𝐶𝑎) =

0,313.400 (2,3.109,25−0,313).(4−1) = 0,166

 dmax = √400 109,25 (4 − 1) (1 − 0,166) 3 = 47,818 mm

So sánh:

Ống dẫn hơi đốt dt = 150 mm > d max

Ống xả nước ngưng dt = 20 mm < d max

Ống xả khí không ngưng dt = 20 mm < d max

⇒ Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân (4mm)

2 Tính cho buồng bốc

a Sơ lược về cấu tạo

Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 800 mm, chiều cao Ht = 2500 mm

Thân có 2 lỗ, gồm: ống nhập liệu, 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

b 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 0,3139at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,3139 = 1,6861 at = 0,1654 N/mm2 Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm (po) = 69,70C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:

ttt = 69,7 + 20 = 89,70C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt) Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 2 phía) Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là: [σ]* = 125 N/mm2

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7])

⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η.[σ]* = 0,95.125 = 118,75 N/mm2

Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là

E = 2,01.105 N/mm 2 Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [7])

 ứng suất chảy của vật liệu là

𝜎𝑐′ = [σ]*.nc = 125 1,65 = 206,25 N/mm2Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 30% ở t sdd (ptb) là

Dt = 800 mm – đường kính trong của buồng bốc

Pn = 0,1654 N/mm2 – áp suất tính toán của buồng bốc

l = 2500 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích

Bề dày thực S:

Dt = 800 mm ⇒ Smin = 3mm < 5,4834 mm ⇒ chọn S’ = 5,4834 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [7])

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 = 0,5mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [2])

 Hệ số bổ sung bề dày là:

C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,5 = 1,5 mm

 Bề dày thực là:

S = S’ + C = 5,4834 + 1,5 = 6,9834 mm Chọn S = 7mm

Kiểm tra bề dày buồng bốc:

𝐿

𝐷𝑡 =

2500

800 = 3,125 Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]:

1,5.√2.( 𝑆− 𝐶𝑎 )

𝐷𝑡 ≤ 𝐷𝐿

2.( 𝑆− 𝐶𝑎 )

 1,5 √2.(7−1)800 ≤ 3,125 ≤ √2.(7−1)800

 0,184 ≤ 3,125 ≤ 8,165 (thỏa) Kiểm tra công thức 5-16, trang 99, [7]:

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:

So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99, [7]:

𝑃𝑛𝑐𝑡 = 𝜋 𝐷𝑛2

4 𝑃𝑛 = 𝜋 ( 800+2.7)2

4 0,1654 = 21518,61 N Theo điều kiện 5-33, trang 103, [7]:

25 ≤ 2.(𝑆− 𝐶𝐷

𝑎 ) = 2.( 7−1)800 = 66,67 ≤ 250 Tra qc = f [ 𝐷

S – Ca ≥ √ 𝑃𝑛𝑐𝑡

𝜋.𝐾𝑐.𝐸 𝑡

 7 – 1 ≥ √𝜋.0,0593.2,01.1021518,61 5

 6 ≥ 0,758 (thỏa) Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]:

𝜋.( 𝐷𝑡+𝑆).(𝑆− 𝐶𝑎) =

21518,61 𝜋.(800+7).(7−1) = 1,4146 N/mm2Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [7]:

𝑃𝑛[𝑃𝑛] ≤ 1

 1,4146 89,395 +

0,1654 0,2033 = 0,829 ≤ 1 (thỏa) Vậy bề dày buồng bốc là 7mm

 Đường kính ngoài buồng bốc:

Dn = Dt + 2S = 800 + 2.7 = 814 mm Tính bền cho các lỗ:

Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]):

dmax = 0,37 √𝐷3 𝑡 (𝑆 − 𝐶𝑎) (1 − 𝑘)

; mm Trong đó:

Dt = 800 mm – đường kính trong của buồng bốc

S = 7 mm – bề dày của buồng đốt

với bề dày khâu

3 Tính cho đáy buồng bốc

a Sơ lược về cấu tạo

Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 800 mm

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

Tra bảng XIII.21, trang 394, [2]:

Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 725 mm

Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,161 m3

- Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu

- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T

Hgc – chiều cao của chất lỏng trong phần gờ nối với buồng đốt; m

Hđ – chiều cao của chất lỏng trong đáy nón; m

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

ptt = ρdd g.H’ = 1378,123.9,81 0,869.10-6 = 0,0117 N/mm2

Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 0,3139 at nên chịu áp suất ngoài là

Pn = 1,6861 at = 0,1654 N/mm2 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:

D’ – đường kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, trang 133, [7])

D’ = 0,9𝐷𝑡 +0,1.𝑑𝑡

𝑐𝑜𝑠𝛼 = 0,9.800+0,1.20

𝑐𝑜𝑠30 = 833,694mm (công thức 6-29, trang 133,[7]) Trong đó

η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)

[σ] = η.[σ]* = 0,95.125 = 118,75 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu

Et = 2,01.105 N/mm2 – module đàn hồi của vật liệu ở t t (bảng 2-12, trang 34, [7])

nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7])

𝜎𝑐𝑡 = nc [σ]* = 1,65.125 = 206,25 N/mm2 – giới hạn chảy của vật liệu ở tt (công thức 1-3, trang 13, [7])

Chọn bề dày tính toán đáy S = 7 mm, bằng với bề dày thực của buồng bốc

Kiểm tra bề dày đáy:

𝑙′

𝐷 ′ = 725

833,694 = 0,87 Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]: