Đồ án Quá trình thiết bị Cô đặc

 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc chân khôngThiết bị chính - Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt - Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, … - Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng, …

M C L C Ụ Ụ

1 TỔNG QUAN 1

1.1 Nhiệm vụ đồ án 1

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu 1

1.3 Khái quát về cô đặc 1

1.3.1 Định nghĩa 1

1.3.2 Các phương pháp cô đặc 2

1.3.3 Ứng dụng của cô đặc 2

1.3.4 Hệ thống cô đặc chân không liên tục 2

1.4 Lựa chọn thiết bị cô đặc 3

2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 4

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 4

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 4

3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 6

3.1 Dữ kiện ban đầu 6

3.2 Cân bằng vật chất 6

3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc) 6

3.2.2Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W) 6

3.2.3 Tổn thất nhiệt độ 6

3.3 Cân bằng năng lượng 8

3.3.1Cân bằng nhiệt lượng 8

3.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt 8

4 THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 10

4.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 10

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 10

4.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 10

4.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường 11

4.1.4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 12

4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 12

4.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc 13

4.2.1 Tính kích thước buồng đốt 13

4.2.2 Tính kích thước buồng bốc 14

4.2.2.3 Tính kích thước các ống dẫn 15

5 TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 17

5.1.2 Tính toán 17

5.2 Tính cho buồng bốc 18

5.2.1 Sơ lược về cấu tạo 18

5.2.2 Tính toán 18

5.3 Tính cho đáy thiết bị 20

5.3.1 Sơ lược về cấu tạo 20

5.3.2 Tính toán 20

5.4 Tính cho nắp thiết bị 23

5.4.1 Sơ lược về cấu tạo 23

5.4.2 Tính toán 23

5.5 Tính mặt bích 24

5.5.1 Sơ lược về cấu tạo 24

5.5.2 Chọn mặt bích 25

5.6 Tính vỉ ống 26

5.6.1 Sơ lược về cấu tạo 26

5.6.2 Tính toán 26

5.7 Khối lượng và tai treo 28

5.7.1 Buồng đốt 28

5.7.2.Buồng bốc 29

5.7.3 Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt 29

5.7.4 Đáy nón 29

5.7.5 Nắp ellipse 29

5.7.6 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm 30

5.7.7 Mặt bích 30

5.7.8 Bu lông và ren 31

5.7.9 Đai ốc 31

5.7.10 Vỉ ống 32

6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 35

6.1 Thiết bị ngưng tụ baromet 35

6.2 Bồn cao vị 41

6.3 Bơm hút chân không 43

6.6 Các thiết bị phụ khác 44

6.6.1 Lớp cách nhiệt 44

6.6.2 Kính quan sát 44

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

Áp suất ngưng tụ: Pck= 0,5at

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu

Mạch nha (tên khoa học là maltum) là một sản phẩm làm từ mầm của ngũ cốc (lúa

mì, lúa mạch, đại mạch, yến mạch…) được cho nảy mầm trong điều kiện kiểm soát chứ không giống cách nảy mầm tự do ngoài thiên nhiên và được sấy khô khi đạt được độ mầm nhất định Đó chính là những hạt lúa mạch đã nảy mầm dùng để chế rượu, bia.Thành Phần đường trong mạch nha là đường maltose, gồm 2 phân tử gluco nối với nhau Thành phần chủ yếu của nguyên liệu là tinh bột Tinh bột là một đại phân tử gồm hàng triệu, triệu phân tử gluco hợp lại với nhau Trong lúc đó, mạch nha là đường maltose Maltose chỉ 2 phân tử nối với nhau Vì vậy, muốn biến tinh bột thành đường mạch nha người ta thực hiện việc cắt mạch tinh bột thành từng cặp gồm 2 phân tử glucô với nhau (bằng phương pháp lên men)

Ở Việt Nam ta vì chưa có lúa mạch, vẫn dùng hạt thóc tẻ (thóc chiêm hay thóc mùa đều được) cùng họ để ngâm cho nẩy mầm rồi phơi khô gọi là cốc nha Mới đây ta có nhập giống lúa mạch về trồng để chế bia nhưng chưa đủ dùng Muốn có thóc nẩy mầm, chỉ cầnđãi thóc sạch đất cát, ngâm nước cho ẩm, sau đó ủ kín, thỉnh thoảng tưới nước để giữ ẩm đều, sau vài ngày hạt thóc nảy mầm, khi nào số mầm bắt đầu xanh thì lấy ra phơi nắng cho khô, để nguyên hoặc tán nhỏ, sảy hết trấu mà dùng

Mạch nha là sản phẩm ăn vừa ngon, vừa bổ và là nguyên liệu không thể thiếu trong công nghiệp sản xuất bánh mứt kẹo và bia.Đường mạch nha có tác dụng làm cho kẹo tăng độ dai, nhiều tơ, không bị lại đường, không bị chảy nhão do hút ẩm và là nguyên liệu bổ sung quan trọng giúp các nhà sản xuất bia hạ được giá thành mà sản phẩm vẫn đảm bảo chất lượng tốt Ngoài ra, đường mạch nha còn là nguyên liệu cho rất nhiều ngành công nghiệp khác Đây còn là món ăn rất bổ nhờ có nhiều sinh tố, hợp tì vị, nhất là những người yếu dạ dày

1.3 Khái quát về cô đặc

1.3.1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong

dd hai hay nhiều cấu tử Quá trình của cô đặc dd lỏng- rắn hay dd lỏng- lỏng mà có chênhlệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi Tùy 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) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.

1.3.2 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt: dưới tác dụng của nhiệt do đun nóng, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lênmặt thoáng dd (khi dd sôi) Để cô đặ các dd không chịu được nhiệt độ cao (như dd

đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằn ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không (p < 1ata) Đó là phương pháp cô đặ chân không

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ được tách ra dưới dạng tinh thể tinh khiết- thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất của các cấu tử, điều kiện áp suất bên ngoài tác dụng lên dd

mà quá trình kết tinh có thể xảy ra ở nhiệt đọ cao hay thấp và có khi phải dung đến máy lạnh

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

1.3.4 Hệ thống cô đặc chân không liên tục

Mục đích: để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy

 Ưu điểm:

- Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân khôngtrong thiết bị

- Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác dễ dàng, quy trình dừng khẩn cấp đơn giản

- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch

- Nhiệt độ sôi dung dịch giảm nên giảm chi phí năng lượng, chi phí cách nhiệt

 Nhược điểm:

Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng

Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác

Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không

 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc chân không

Thiết bị chính

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, …

- Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng, …

Thiết bị phụ

- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

- Thiết bị gia nhiệt

- Thiết bị ngưng tụ Baromet

- Các loại van, thiết bị đo, …

 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm

- Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ

- Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt

- Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng

- Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất

- Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng

1.4 Lựa chọn thiết bị cô đặc

Dựa vào các phân tích ở trên: dung dịch mạch nha được cô đặc qua hệ thống 1nồi làmviệc liên tục, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm Thiết bị cô đặc dạng nàyđơn giản dễ vệ sinh và sửa chữa Có thể đạt nồng độ cuối theo yêu cầu (35%)

Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đunnóng và hệ số truyền nhiệt thấp

2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Bản vẽ đính kèm

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch mạch nha có nồng độ 12% Dung dịch từ bể chứanguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi

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

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bêntrong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều.Nguồn nhiệt là hơinước bão hoà có áp suất 2 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bêntrong ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dungdịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽchảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nướcngưng tụ thành nướclỏng và theo ống dẫn nước qua bẫy hơi và thoát ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàntrung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng khônggian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đangchuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ dưới lên và nhận nhiệt dohơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi

Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên miệng ống

Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn Vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn

tự nhiên

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng.Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọtlỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu (xc= 35%) được lấy một phần ở đáy thiết

bị làm sản phẩm bơm ra ngoài vào bể chứa, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch vào thiết bị

Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụbaromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên

cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặpnước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet

Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chânkhông hút ra ngoài.Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suấttrong thiết bị ngưng tụ giảm.Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định, duy trì

áp suất chân không trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phảiđược lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển màkhông cần bơm

Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòngkhí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng để tránh va đập thủy lực làm hư bơm

3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.1 Dữ kiện ban đầu

Nồng độ đầu: xđ = 12 %

Nồng độ cuối: xc = 35 %

Năng suất nhập liệu: Vđ = 0,5 m3/h

Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 270C

Áp suất ngưng tụ: pck = 0,5at ⇒ pc = 1- 0,5 = 0,5 at

3.2 Cân bằng vật chất

3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc)

Khối lượng riêng của dung dịch đường 12% ở 270C: ρđ = 1048,31 kg/m3

(tra bảng I.85, trang 58, [1])

Suất lượng nhập liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1048,31 0,5 = 524,15 kg/h

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:

Gđ xđ = Gc.xc⇒Gc = = = 179,71 kg/h

3.2.2Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:

Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 35 %

Tra đồ thị hình VI.2, trang 60, [2]: 'o= 0,50C

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

f = 16,2

Với:

t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(po) = 81,90C)

r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc Tra bảng I.251,trang

314, [1] được r = 2307 kJ/kg

⇒ ƒ= 16,2= 0,887

⇒Δ’ = 0,5 = 0,4430C

⇒tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 81,9 + 0,443 = 82,30C

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)

Gọi ptb – áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa dung dịch cần cô đặc

ptb = po + 0,5 .g.Hop = po+ Δ p (công thứ 2.19, trang 118,[4])

Trong đó:

– khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi, kg/m3

Chọn tsdd(po+ Δp) = 83oC, C% = xc= 35 %

Ta có ρdd = 1153,31 kg/m3 (tra bảng I.86, trang 58, [1]) ⇒=576,65 kg/m3

Chiều cao lớp chất lỏng sôi

Hop = [0,26+0,0014(dd-dm)].h

o

ho – chiều cao ống truyền nhiệt, m Chọn ho = 1 m

ρdm – khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi 83 oC

ρdm = 969,92 kg/m3(Tra bảng I.249, trang 311,[1])

Sai số 0,11% được chấp nhận Vậy tsdd(ptb) = 830C

Sản phẩm lấy ra tại đáy thiết bị t1’’= tsdd(po) +2 Δ’’= 82,3+1,588= 83,880C

tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi 0C

tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ 0C

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd(ptb) oC 83

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt độ của dung dịch trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:

 tvào = 27 oC

 tra = tsdd(po) = 82,3 oC

⇒ Nhiệt độ dd đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 82,3 oC

⇒ Nhiệt độ của dd đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:

tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 83,88 oC

Nhiệt dung riêng: c = 4190- (2514- 7,542.t).x

x= 12% cđ= 4190- (2514- 7,542.82,3).0,12= 3962,80 J/kg. oC

x= 35% cc= 4190- (2514- 7,542.83,88).0,35= 3531,52 J/kg. oC

3.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt

Theo công thức 2.4, trang 114,[4]

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

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh saukhi ngưng) thì ( iD - cθ) = rD =2208 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

D

Nhiệt dung riêng dd 35% cc J/(kg.K) 3531,52

Nhiệt lượng do hơi đốt cung

4 THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

4.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

4.1.1 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 cáchchia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước ngưng chảy màng(do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên bề mặt đứng.Công thức (V.101), trang 28, [2] được áp dụng:

α1 = 2,04.A

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 2 at (2305,06 kJ/kg)

H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1 m)

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

= : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt tường tiếpxúc với hơi ngưng, oC

Trong đó:

αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch Do nước sôi sủi bọt nên

αn được tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]:

αn = 0,145.p0,5.Δt2,33 với p = po= 0,524at = 51404,4 N/m2

Ta chọn, tv2 = 93oC ⇒Δt = Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) = 93 – 83,094 = 9,906oC

⇒αn = 0,145 51404,40,59,9062,33 = 6409,90 W/(m2.K)

λdd- hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb), W/(m.K)

(công thức I.32, trang 123,[1])

Đường: C12H22O11 => Mdd= 342

λdd= 3,5810-8 3531,311153,31 = 0,218 W/(m.K)

λdm= 0,6763 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb)

ρdd= 1153,31 kg/m3 - khối lượng riêng của dd ở tsdd(ptb) (tra bảng I.86, trang 58, [1])

ρdm= 969 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb)

cdd = 3531,52 J/kg. oK- nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)

cdm = 4190 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb)

dd = 0,001053 Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb) (tra bảng I.112, trang 114,[1])

dm= 0,000331 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb)

Các thông số của nước cdm, dm, ρdm, λdm: tra bảng I.249, trang 311, [1]

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 ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường Với quá trình cô đặc liên tục, sựtruyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2

⇒ Δtv = qv.Σrv

Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q2 = α2.Δt2 = 2440,1110 =24401,14W/m2

Tính sai số tương đối của q1 so với q2.Vòng lặp kết thúc khi sai số này nhỏ hơn 5%.Sai số tương đối của q1 so với q2:

q = = 100% = 4,34%

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

Nhiệt tải riêng trung bình:

qtb= = = 24956,91 W/m2

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

K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt:

K = = = 695,34W/ (m2.K)

4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

F = = = 8,72 m2

Hê số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/ (m2.K) 12147,47

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi W/ (m2.K) 2440,11

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống W/(m.K) 16,3

Nhiệt trở phía hơi nước r1 m2.K/W 0,3448.10-3

Nhiệt trở phía dung dịch r2 m2.K/W 0,387.10-3

Hệ số truyền nhiệt tổng quát K W/ (m2.K) 695,34

Nhiệt tải riêng trung bình qtb W/m2 24956,91

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F m2 8,72

4.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc

F = 8,72– diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2

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

d – đường kính của ống truyền nhiệt

l = 1 m – chiều dài của ống truyền nhiệt

Dnth = 0,219 m – đường kính của ống tuần hoàn trung tâm

α = 60o – góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 8,72 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt

(3) ⇒ Ds=

= 0,577 m

Chọn Ds = 600 mm theo tiêu chuẩn trang 325,[5]

Kiểm tra lại diện tích bề mặt truyền nhiệt:

Phân bố 127 ống truyền nhiệt theo hình 6 cạnh như sau:

Số hình lục giác 6

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 127

Số ống truyền nhiệt được thay thế: n = ống

Số ống truyền nhiệt còn lại: n’ = 127 – 7 = 120 ống

Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt:

F’ = m2 > 8,72 m2 thỏa yêu cầu

W – suất lượng hơi thứ (kg/h)

= 0,3162 kg/m3 là khối lượng riêng của hơi thứ ở p0 = 0,524 at ( tra bảng I.251,trang

 = 970,6 kg/m3 – khối lượng riêng của giọt lỏng (tra bảng I.249, trang 311,[1])

 = 0,3162 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở po= 0,524at

 d – đường kính giọt lỏng; m Chọn d = 0,0003 m (trang 326, [5])

 = 0,0165.10-3 Pa.s - độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,524at (tra hình

Chọn Db = 800 mm theo tiêu chuẩn trang 327, [5]

4.2.2.2 Chiều cao buồng bốc (H b )

Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]: Utt = f.Utt(1 at), m3/(m3.h)

Trong đó:

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

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

Chọn Utt(1 at) = 1600 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2])

⇒ Utt = 1,11600 = 1760 m3/(m3.h)

Thể tích buồng bốc:

V b = = = 0,619 m3

⇒ Chiều cao buồng bốc : Hb = = = 1,23 m

Nhằm mục đích an toàn, ta chọn Hb = 1,5 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt)

Loại ống dẫn Gs, kg/s , kg/m3 Chọn m/s , , m

Quy chuẩn mm

5 TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

5.1 Tính cho buồng đốt

5.1.1 Sơ lược về cấu tạo

Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 1000 mm

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

5.1.2 Tính toán

Bề dày tối thiểu S’:

Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 2 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:

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]* = 0,95.118 = 112,1 N/mm2

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 = 0,22 mm (bảng XIII.9, trang 364, [2])

⇒ Hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,22 = 1,22 mm

⇒ Bề dày thực là: S = S’ + C = 3 + 1,22 = 4,22 mm Chọn S = 5 mm

Kiểm tra bề dày buồng đốt:Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:

= = 0,0067 < 0,1 (thỏa yêu cầu)

Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:

[P] = = = 1,4105 N/mm2 > 0,2073 N/mm2

Vậy bề dày buồng đốt là 5 mm

⇒ Đường kính ngoài của buồng đốt: Dn = Dt + 2S = 600 + 25 = 610 mm

5.2 Tính cho buồng bốc

5.2.1 Sơ lược về cấu tạo

Buồng bốc có đường kính trong là Db = 800 mm, chiều cao Hb= 1500 mm

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

5.2.2 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 0,524at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài

Pn = pa = 1at = 0,098 N/mm2

Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 81,9oC vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:

ttt = 75,4 + 20 = 101,9oC (có bọc lớp cách nhiệt)

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

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

[σ]* =122 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]* = 0,95122 = 115,9 N/mm2

Tra bảng 2.12, trang 34, [7]:

Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05105 N/mm2 (bảng 2.12, trang 34, [7])

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

⇒ Ứng suất chảy của vật liệu là = [σ]*.nc = 1221,65 = 201,3N/mm2

Áp dụng công thức 5-14,trang 98,[7]:

S’ = 1,18D.= 1,18800= 4,192 mm

Bề dày thực S:

Dt = 800 mm ⇒ Smin= 3 mm < 4,192 mm ⇒ chọn S’ = 4,192 mm ( 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 = 0,5 mm

(theo bảng XIII.9, trang 364, [2])

Kiểm tra công thức 5-15,trang 99,[7]

2,75

0,0533,67 18,56 (thỏa yêu cầu)

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]: [pn] = 0,649 Et.Pn.

0,6492,05.1050,098

0,159 N/mm2 0,098 N/mm2 (thỏa yêu cầu)

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:Xét: L = 2200 mm ≤ 5D = 5800 = 4000 mm

Lực nén chiều trục lên buồng bốc:

5 1,163 (thỏa yêu cầu)

Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]:

Vậy bề dày buồng bốc là 6 mm

⇒ Đường kính ngoài của buồng bốc: Dn = Dt + 2S = 800 + 26 = 812 mm

5.3 Tính cho đáy thiết bị

5.3.1 Sơ lược về cấu tạo

Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt= 600 mm

Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60o

Tra bảng XIII.21, trang 394, [2]

Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 544 mm

Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,071 m3

Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu và 1 lỗ để gắn vòi thử sản phẩm

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T

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

⇒ Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt: Vgc = = = 0,011 m3