Việt Nam có nguồn nguyên liệu sản xuất giấy rất phong phú . Nhu cầu về giấy ở nước ta là rất lớn. Hàng năm chúng ta vẫn phải nhập khẩu giấy ngoại với số lượng tương đối lớn. Vì vậy, sản xuất giấy là một vấn đề cấp thiết. Tuy nhiên, song song với việc sản xuất giấy là việc xử lý chất thải của quá trình sản xuất. Ngoại trừ các nhà máy sản xuất lớn (Bãi Bằng, Việt Trì ) có dây chuyền có năng suất thấp , công nghệ lạc hậu phát sinh nhiều chất thải đặc biệt là dịch đen gây ô nhiễm môi trường . Tại một số nhà máy đã tiến hành thu hôì dịch đen cô đặc để bán cho các đơn vị sản xuất phụ gia bê tông. Nhưng do sử dụng nồi cô đặc hở, năng suất thấp phat sinh khí thải ảnh hưởng đến vệ sinh môi trường . Việc tính toán thiết kế hệ thống cô đặc dịch đen là phù hợp với điều kiện sản xuất của các nhà máy giấy cỡ nhỏ có một ý nghĩa thực tiễn.
Trang 1Phần I Giới thiệu
Việt Nam có nguồn nguyên liệu sản xuất giấy rất phong phú
Nhu cầu về giấy ở nước ta là rất lớn Hàng năm chúng ta vẫn phải
nhập khẩu giấy ngoại với số lượng tương đối lớn Vì vậy, sản xuất
giấy là một vấn đề cấp thiết Tuy nhiên, song song với việc sản
xuất giấy là việc xử lý chất thải của quá trình sản xuất Ngoại trừ
các nhà máy sản xuất lớn (Bãi Bằng, Việt Trì ) có dây chuyền có
năng suất thấp , công nghệ lạc hậu phát sinh nhiều chất thải đặc
biệt là dịch đen gây ô nhiễm môi trường Tại một số nhà máy đã
tiến hành thu hôì dịch đen cô đặc để bán cho các đơn vị sản xuất
phụ gia bê tông Nhưng do sử dụng nồi cô đặc hở, năng suất thấp
phat sinh khí thải ảnh hưởng đến vệ sinh môi trường Việc tính
toán thiết kế hệ thống cô đặc dịch đen là phù hợp với điều kiện
sản xuất của các nhà máy giấy cỡ nhỏ có một ý nghĩa thực tiễn
I.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất giấy từ tre nứa (phương pháp Sun
phát Kiềm)
Tre nứa từ nơi khai thác được vận chuyển về nhà máy, tại đây sau khi được phun nước rửa và qua công đoạn chặt nhỏ thành các đoạn nhỏ có độ dài từ 1,5 đến 3 m sẽ được đưa vào nồi nấu hình cầu 8 đến 14 m 3 có thêm HOH, sút, lưu huỳnh và tiến hành nấu ở nhiệt độ
từ 180 đến 2000C, áp suất cao cấp nhịệt bằng hơi quá nhiệt với thời gian nấu từ 6 đến 8 h Sau khi nấu tre nứa được xả xuống bể dưới đáy nồi , dịch còn lại (dịch đen ) sẽ được gom từ nồi nấu vào các bể chứa Phần tre nứa đã nấu sau khi để khô nước được rửa khuếch tán bằng vòi phun trực tiếp và theo máng dẫn đi xuống các máy nghiền
để nghiền thành bột giấy và rửa sạch hóa chất Bột giấy sau khi nghiền đến độ mịn cho phép được pha thêm dung dịch nhựa thông , phèn chua và được chuyển đổi đến máy xeo để xeo thành giấy
Trang 2Hơi
quá nhiệt
Tre nứa
Băm chặt
Nước NaOH Lưu huỳnh Dịch đen
Nồi nấu
Bể chứa
Rửa khuếch tán
I.2 Một số tính chất của dịch đen
Trong quá trình nấu ở nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường kiềm thành phần liglin bị huỷ phân hoà tan thành dịch đen Để thu được 1 tấn bột giống, có thể thu được từ 8 đến 15 % Trong 100% chất khô tuyệt đối có chứa
40 đến 67 % chất hữu cơ và 60 đến 33% chất vô cơ Độ PH của dịch đen loãng
từ 10,5 đến 12,9 nhưng thường là từ 11 đến 12
Trong quá trình thủy phân một phần kiềm kết hợp với chất béo tạo ra một số thành phần xà phòng, hàm lượng 1 đến 20 %g/ lít dịch đen Do đó dịch đen khi đun sôi rất dễ tạo bọt
Hàm lượng tổng quy đổi của kiềm theo Na2O đạt khoảng 10 đến 40 g/ lít Trong đó hàm lượng kiềm hoạt tính còn lại đạt 3 đến 12 g/lít quy đổi về Na2O
Thành phần một số chất khoáng
(1 đến 3) % (1 đến 2,3) % ( 1 đến 15) % ( 0,2 đến 8) % ( 2 đến 15) %
I.3 Các thông số của dịch đen:
Trang 3I.3 1 ) Nhiệt dung riêng của dịch đen:
C= 0,98 - 0,0052 p ( K cal/kgoC)
P (%) : Độ khô của dịch đen
I3 2 ) Bảng nhiệt rung riêng của dịch đen
C kcal
Kg0C
I.3 3 ) Bảng tỷ trọng của dịch đen ở 15 0 C
Độ khô
(P %)
Tỷ trọng
P(g/cm 3 )
I.3 4 ) Bảng độ nhớt động học của dịch đen
Phần II Tính công nghệ
Phần II T ính công nghệ
Chê
nh lệch nhiệ
t độ
so với nướ
c sôi
∆ 0 C
Trang 4Yêu cầu thiết kế: Cô đặc dịch đen
Dịch vào : 10 %
Dịch ra: 55 %
Năng suất: 5000 kg/ h
−
=
bc
bd Gd
II.1 Xác định lượng hơi thứ cấp
Gđ-Lượng dịch vào (5000 kg/h)
W- Lượng hơi thứ
bđ- Nồng độ đầu (10%)
bc- Nồng độ cuối (55%)
Gc- Lượng dịch
bd
bc Gc
W
Tương tự:
( kg h )
bd bc
bc W
10 55
55 22500
=
−
=
−
=
⇒
II.2 Xác định hiệu nhiệt độ
∆t =T h - T n -( ∆’ + ∆’’+ ∆’’’) (522 –I)
T h - Nhiệt độ hơi đốt
T n - Nhiệt độ hơi thứ
∆’- Độ giáng nhiệt hoá lý
∆’’- Độ giáng nhiệt thuỷ động
∆’’’- Độ giáng nhiệt thuỷ tĩnh
ở độ khô 55% theo đồ thị quan hệ P(%) độ khô và chênh lệch nhiệt độ so với nước sôi ta có độ giáng nhiệt hoá lý
∆’ = T s - 100 = 106,5 - 100 = 6,5 0 C
∆’’ = 3 0 ( Chọn)
∆’’’ = 1 0 (Chọn)
Căn cứ vào nhiệt độ sôi của dịch đen ta chọn nhiệt độ hơi đốt là nhiệt
độ của hơi bão hoà có nhiệt độ:
T0= 1350C ở áp suất P =3,13 bar
Vậy ta có :
Trang 5∆t = 135 - 106,5 - ( 6,5 +3 +1)
Nhiệt độ sôi thực của dịch trong nồi là:
ts= Th - ∆t = 116 - (6,5 +3+1) = 190C
Nhiệt độ sôi thực của dịch trong nồi:
ts= Th - ∆t = 135 - 19 = 116oC
Nhiệt độ thực của hơi thứ:
Thơi thứ = ts- ∆ = 116 - (6,5 + 3+1)
t k
Q
F
∆
=
II.3 Tính bề mặt trao đổi nhiệt
Q - Nhiệt lượng do hơi đốt ngưng tụ toả ra
r Gh
⇔
Q = G h ( i v -i r ) (w)
=
=
=
85 , 0
22500 85
,
0
⇒ r = 2159 = KJ/ kg
Q = 441,2 2159 = 952550,8(Kcal/h)
2 1
1 1
1
α λ
δ
α + +
=
k
4 3 2
34
,
1
H t M
g r
∆
α
r- ẩn nhiệt ngưng tụ = 2156 10 3 ( J/ kg )
g = 9,81 (m/s)
ρ -Khối lượng riêng nước ngưng =930,9 kg/
λ- Hệ số dẫn nhiệt nước ngưng =0,685W/m.độ
M- Độ nhớt độnghọc = 0,21.10-3Ns/m2
H=5m độ cao ống truyền nhiệt.
(m3) (5.33 - I )
(Hệ số toả nhiệt của (5.36 - I) hơi nước bên ngoài ống )
Trang 6( ) ( ) (5.37 )
5 1 10 21 , 0
685 , 0 9 , 930 81 , 9 10 2165 34
,
1 4
3
3 2
3
⇒α
∆δ=tn- tw= 10C (Chọn)
⇒α1 =11609(W/m 2 độ)
3 , 0 3 , 0 66 , 0 6 , 0 5 ,
0
6 , 0 06 , 0 5 , 0 3 1 2
780
M C
r
q
o
h
ρ δ
ρ ρ
λ
λ = 0,585 (W/m.độ) - Hệ số dẫn nhiệt của dịch đen
r =2439.10 3 (J/kg) - ẩn nhiệt hoá hơi của dịch đen
ρ0 = 0,597(kg/m 2 ) - Khối lượng riêng của hơi nước ở 1atm
ρh= o,979(kg/m3 ) - Khối lượng riêng của hơi đốt
ρ = 1140(kg/m 3 - Khối lượng riêng của dịch đen
C= 3107(J/ kg.độ ) - Nhiệt dung riêng của dịch đen
M= 2,599 10 3 (N/m 2 ) - Độ nhớt của dịch đen
δ = 0,07(N/m) - Sức căng bề mặt của dịch đen
6 , 0 56
,
5
2
3 10 59 , 2 03 , 0 3107 66
, 0 579 , 0
6 , 0 3 10 2439 5
, 0 07 ,
0
6 , 0 06 , 0 079 , 0 5 , 0 1140 3
1 580 , 0 780
2
q
q
=
⇒
=
α
α
Thay số ta có:
q = Dòng nhiệt riêng(W/m 2 )
q = 8000(W/m 2 ) Theo sổ tay hóa công tập II
thay vào ta có:
α λ
δ
1
+ +
=
n
k
α2 = 1222(W/m 2 độ)
Hệ số truyền nhiệt:
(Hệ số toả nhiệt khi sôi của dung dịch)
Trang 7α1 = 11609(W/m 2 độ)- Hệ số toả nhiệt hơi nước, bên ngoài ống
α2 = 1222(W/m 2 độ) - Hệ số toả nhiệt khi sôi của dung dịch
δ = 0,0020(m) - Bề dày thành ống trao đổi nhiệt
λ =18(W/m 2 độ) - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
Ta có:
k = 422(W/m 2 độ)
Kiểm tra lại ta có:
q= k.∆t = 422 19=8081(W/m 2 )
Với nhiệt lượng hơi đốt cấp vào nồi
Q = 952550,8 Kcal/h
∆t= 19 0 C
k=422 W/m 2 độ
=
=
∆
422 19
952550
t
Q
F
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Chọn F=120(m 2 )
Phần III Tính cấu tạo và tính bền thiết bị
III.1/ Các kích thước chọn sơ bộ
Đường kính trong của ống: d1= 26 mm
Đường kính ngoài của ống: d2=30 mm
Bề dầy ống: S = 2 mm
Chiều cao ống: H = 5000 mm
Như vậy tổng số ống truyền nhiệt được xác định theo công thức:
H d
F n
tb
π
=
Trong đó:
Trang 8F = 120 m2.
H = 5 m
db= (d1+d2)/2 = 28.10-3 m - đường kính trung bình của ống
Suy ra
273 5
10 28 14 , 3
120
(ống)
Ta chọn cách bố trí ống là theo kiểu đỉnh của tam giác đều – kiểu ống chùm xen kẽ
Theo cách bố trí này ta có quan hệ giữa
n - tổng số ống, b - đường chéo của hình lục giác đều và a – cạnh hình lục giác đều
( )
−
=
+
−
=
1 a 2 b
1 1 a a 3
n
Với n = 273; a ∼ 18 và b = 35
III.2/ Kích thước buồng đốt.
III.2.1/ Đường kính trong của buồng đốt
Bước ống khi lắp ghép
T = (1,2 ÷ 1,4).d2 = (1,2 ÷ 1,4).30 = (36 ÷ 40)
Chọn t = 38 (mm)
Đường kính trong buồng đốt là:
Dt = t.(b-1) + 4.d2
→ Dt = 38.( 35 - 1) + 4.42 = 1460 (mm)
Bũ dầy vỏ đốt:
Chọn vật liệu làm vỏ là thép CT3 có:
[σ] = 120.106 (N/m2)
[σc] = 240.10 6 (N/m2)
Chiều dầy sơ bộ:
Trang 9Coi buồng đốt như là một vỏ trụ mỏng chịu áp suất chính bằng áp suất của hơi nước bão hoà
III.2.2/ Chiều dầy sơ bộ
C P ]
2.[
P.D
− ϕ σ
=
S- Bề dầy vỏ luồng đốt = 10.10 -3 (m)
p- áp suất trong luồng đốt = 0,45.106 (N/m2)
[σ] = 120.106 (N/m2) ứng suất cho phép của vật liệu
j- hệ số mối hàn = 0,95 C- hệ số bổ sung chiều dày
Chọn theo tài liệu II - Hoá công II
III.2.3/ ứng suất sinh ra khi thử áp lực được tính theo công thức
Từ:
C p ]
.[
2
D P
− ϕ σ
=
→
( − )ϕ
− +
=
σ
C S 2
P C S
Pt: áp suất thử thuỷ lực (N/m2)
Pt = 1,5.p = 1,5.0,45.106 = 0,675.106 (N/m2)
→
6 3
10 95 , 0 4 10 2
10 675 , 0 10 4 10 4 , 1
−
−
−
− +
=
σ
Mặt khác:
6
m / N 10 3 , 8 m
/ N 10 2 2
, 1
10 240 2
,
1σ = − = >σ=
Vỏ đủ bền
Trang 10III.3/ Buồng phân ly hơi thứ
III.3.1/ Thể tích của không gian phân ly hơi cần thiết được xác định theo công thức:
u tt h
.
kg U
W V
ρ
=
W: lượng hơi thứ = 22,5.103(kg/h)
r: khối lượng riêng hơi thứ = 0,979 (kg/m3)
Utt: Cường độ bốc hơi thể tích cho phép (m3/m3.h)
Ta có: Utt = f.Utt (1atm)
f: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc áp suất = 0,9
Utt(1atm): cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất 1atm
Chọn Utt(1atm) = 1600 (m3/m3.h)
→ Utt = 0,9.1600 = 1400 (m3/m3.h)
( )3
3
979 , 0 1440
10 5 , 22
→
Khi cô đặc dịch đen thường tạo bọt rất mạnh nên ta chọn chiều cao của không gian phân ly hơi thứ,
Hkgh=2,5 ÷ 3 (m) Chọn Hkgh = 3 m
(Tài liệu hoá công - Tập II)
So sánh với đường kính buồng đốt, để kết cấu hợp lý ta chọn đường kính không gian phân ly hơi:
Dkgh = 3 (m
III.3.2/ Chiều dầy sơ bộ của vỏ luồng phân ly hơi thứ
C p ]
.[
2
D P
− ϕ σ
=
Dt: đường kính trong buồng phân ly = 3 (m)
j: hệ số mối hàn = 0,95
Trang 11[s]: ứng suất cho phép của thép CT3 = 120.106 (N/m2)
C: hệ số bổ sung chiều dày = 4.10-3 (m)
→
( )m 10 9 , 9 10 45 , 0 10 45 , 0 95 , 0 10 120 2
10 45 , 0 3
6 6
6
−
+
−
=
Chọn S = 10 (mm)
III.3.3/ Kiểm tra bền của vỏ
( − )ϕ
− +
=
σ
C S 2
P C S
Pt: áp suất thuỷ lực = 1,5.0,45.106 = 0,675.106 (N/m2)
Dt: đường kính trong của = 3 (m)
S: bề dầy vỏ = 10.10-3 (m)
C: hệ số bổ sung chiều dầy = 4.10-3 (m)
j: hệ số mối hàn = 0,95
Thay vào công thức ta có:
3
6 3
m / N 10 2 , 1 95
, 0 10 4 10 2
10 675 , 0 10 4 10
−
− +
=
Mặt khác
8
m / N 10 3 , 1 m
/ N 10 2 2
, 1
10 4 , 2 2
,
1σ = = >σ=
Vậy vỏ đủ bền
III.4/ Vỉ ống
Kết cấu lắp ghép vỉ với vỏ thiết bị được thực hiện bằng cách hàn chặt vỉ ống vào thân thiết bị Bề dầy vỉ được xác định như sau:
[ ]25.p C
, 0 D C
σ
=
[s] = 120.106 (N/m2)- ứng suất cho phép của vật liệu
Trang 12Dt = 1,4 (m)- đường kính vỉ ống.
Ct = hệ số mối hàn
3A 2
A
Ct
+
=
A: hệ số tính toán được xác định theo biểu thức
( 2 0)
0 0 0
v v
v
S d S n E
S D S E A
−
−
=
n0 = 273 (ống)- Tổng số ống truyền nhiệt
d2 = 30 (mm)- đường kính ngoài của ống
S0 = 2 (mm)- bề dầy ống
Sv = 10 (mm)- bềdầy vỏ buồng đốt
D = 1420 (mm)- đường kính ngoài vỏ buồng đốt
E0 = 1,85.105 (N/mm2)- Môđun đàn hồi của vật liệu làm ống
Ev = 2,1.105 (N/mm2)- Môđun đàn hồi của vật liệu làm vỏ
(30 2) 1,05
2 273 10 85 , 1
10 1420 10 10 1 , 2
5
=
−
−
=
45 , 0 05 , 1 3 2
05 , 1 A
3 2
A
+
= +
=
→
Thay vào công thức của S ta có:
C 10
120
10 45 , 0 25 , 0 4 , 1 45 ,
0
6
+
=
→ S = 19.10-3 + C
C = C1+ C2
C1: hệ số bổ sung chiều dầy do ăn mòn; C1 = 5 (mm)
C2: hệ số bổ sung chiều dầy do gia công; C2 = 3 (mm)
→ C = 8 (mm)
Trang 13→ S = (19+8).10-3 = 27.10-3 (m)
Bề dầy tối thiểu của vỉ ốn khi ghép bằng phương pháp hàn:
[ ]
(mm)
9 , 2 10 120
10 45 , 0 38 25 , 1 S
P t
25 , 1 S
6
6 min
min
=
≥
σ
≥
ở đây vỉ ống được hàn chặt với vỏ thiết bị và làm luôn bích nên chiều dầy của vỉ ống phải đủ lớn để thoả mãn yêu cầu về lắp ghép
Chọn S = 50 (mm)
III.5/.Vận tốc hơi đi trong nồi
Diện tích thiết diện của không gian chứa hơi bão hoà ở trong nồi
( 2)
2
2
t d D 4
F= π −
Dt: đường kính trong của luồng đốt = 1400 (mm)
d2: đường kính ngoài của ống = 30 (mm
n: số ống = 273 (ống)
→
( )
( 2 2) 2
m 2 , 2 03
, 0 273 4
, 1 4
F= π − =
Thể tích hơi đốt cấp vào nồi trong thời gian 1s
(m /s)
27 , 4 3600 72 , 1
10 47 , 26
3
=
=
Vận tốc hơi đi trong buồng đốt
(m/s)
94 , 1 2 , 2
27 , 4 F
D
Như vậy vận tốc hơi thực tế đi trong nồi là rất nhỏ Để tăng hiều quả truyền nhiệt mà không làm thay đổi chế độ trao đổi nhiệt đã chọn trước khi
Trang 14ngưng tụ hơi bão hoà (W≤10m) ta phải làm tấm chắn để tăng vận tốc hơi đi trong buồng đốt
Đặt 4 tấm chắn → vận tốc hơi đi trong nồi là:
W = 1,94.4 = 7,76 (m/s)
Khoảng cách giữa các tấm chắn
L = D.(0,1 ÷ 0,2) = 0,24 ÷ 0,48 m Chọn L = 0,4 m
III/ Đáy và nắp thiết bị
Chọn đáy và nắp hình elip Dạng này thì sự phân bổ ứng suất trên đáy
và nắp được điều hoà đồng thời nó bổ khuyết dược những nhược điểm của đáy nắp hình bán cầu
Công thức tính bề dày có dạng:
4
Y D p
− ϕ σ
=
P = 0,45.106 (N/m2)- áp suất thiết kế
Dt = 1,4 (m) - đường kính trong của thiết bị
[s] = 120.106(N/m2)- ứng suất cho phép của vật liệu
J = 0,95- hệ số của mối hàn
Yc = 1,3 tra bảng ( 2H
D
a = t
) C= 4.10-3- hệ số bổ sung chiều dày
→
3 6
6
6
10 4 10 46 , 0 95 , 0 10 120 4
3 , 1 4 , 1 10 45 , 0
−
=
→ S = 5,3.10-3 (m)
Chọn S = 10.10-3 (m)
Trang 15III.7/ Tính toán lớp bảo ôn và thiết bị ngưng tụ, tai đỡ.
III.7.1/ Chọn tai đỡ
Thiết bị cô đặc trong thiết kế này có chiều cao tương đối lớn, đường kính nhỏ so với chiều cao nên ta dùng tai đỡ để lắp đặt các thiết bị này vào sàng chịu lực của chúng Để xác định được kích thước cụ thể ta phải dựa vào khối lượng của cả thiết bị cô đặc
Khối lượng toàn nồi:
G = G1 + G2 + G3 + G4 + G5
G1: khối lượng đáy và nắp thiết bị
Tra bảng XIII.11- Sổ tây Hoá công II ta có:
Khối lượng 1 nắp hoặc 1 đáy là: G0 = 183 (kg)
G2: khối lượng vỏ buồng đốt
Thẻ tích gần đúng của thép làm vỏ buồng đốt là:
( 2) ( 2 2) ( )3
t
2 n
4
14 , 3 H D D 4
→ G2 = 0,22.7850 = 1727 (kg)
G3: khối lượng buồng phân ly hơi
Thể tích gần đúng của vỏ thép làm buồng phân ly là:
( 2) ( 2 2) ( )3
t
2 n
4
14 , 3 H D D 4
V = π − = − =
G3 = V3.S = 0,568.7850 = 4458 (kg)
G4: khối lượng ống chùm
Thể tích thép làm ống:
1
2 2
4
14 , 3 273 H
d d 4 n
→ G4 = 10,24.7900 = 1896 (kg)
G5: khối lượng các vỉ ống
Trang 16( 2 2) ( )3
2 2
2 t
4
14 , 3 2 4
d n 4
D 2
π −
=
G5 = 0,13.7850 = 1020 (kg)
G6: khối lượng dịch đen
( )3 6
day
2 1 6
m 0 , 30 08 , 2 5 026 , 0 4
14 , 3 273
V
V H 4
d n
V
= +
=
+
π
=
G6 = 30.1140 = 34200 (kg)
Vậy ta có:
∑
=
= 6
1
i i
G
G
= 43484 (kg)
Do thiết còn một số chi tiết khác phụ trợ nên ta lấy tròn
G = 44000 (kg) = 44 (T)
Chọn số tai là 4
→
( )N 10 91 , 107 4
81 , 9 10 44 Z
G
3
=
=
=
Tải trọng tác dụng lên 1 tai:
Bề dầy tai treo:
[ ]σ
=
a m k
Q 24 , 2
S
m = - số gân trong mỗi tai treo
[s] = 103 (N/m2)- ứng suất cho phép
K = 0,85 (Chọn)- hệ số phụ thuộc độ uốn của g ân theo đường huyền của nó
a = 30 (cm) (Chọn)- Cạnh đáy của gân
Q = 107,91.103 (N)- Lực tác dụng lên một tai đỡ