(TIỂU LUẬN) lý thuyết về cô đặc thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt

MỤC LỤC I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC 1 Lý thuyết cô đặc a Định nghĩa .1 b Các phương pháp cô đặc: c Bản chất cô đặc nhiệt : d Ứng dụng cô đặc 2 Thiết bị cô đặc dùng phương pháp nhiệt: .2 Các thiết bị hệ thống đặc II TIÊU CHUẨN TCVN III SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN IV THÔNG SÔ CÔNG NGHỆ V THÔNG SỐ THIẾT KẾ VI THIẾT KẾ BUỒNG ĐỐT VII THIẾT KẾ BUỒNG BỐC VIII THIẾT KẾ ĐÁY – NẮP 11 a Nắp elip: 11 b Đáy : 11 XI KẾT LUẬN 13 XII TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 Tieu luan I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC Lý thuyết cô đặc a Định nghĩa Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử Q trình đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn); q trình vật lý – hố lý Tuỳ theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay q trình đó), ta tách phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) phương pháp làm lạnh kết tinh b Các phương pháp đặc: - Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng - Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức đó, cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết; thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp ta phải dùng máy lạnh c Bản chất cô đặc nhiệt : - Để tạo thành (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên ngồi Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phân tử đủ lượng thực q trình - Bên cạnh đó, bay xảy chủ yếu bọt khí hình thành trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử Tieu luan bề mặt đáy tạo nên tuần hồn tự nhiên nồi đặc Tách khơng khí lắng keo (protit) ngăn chặn tạo bọt cô đặc d Ứng dụng cô đặc Trong sản xuất thực phẩm, ta cần đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây… Trong sản xuất hố chất, ta cần đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hố chất, thực phẩm sử dụng thiết bị đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà máy Cùng với phát triển nhà máy, việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Nó địi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an toàn hiệu suất cao Do đó, yêu cầu đặt cho người kỹ sư phải có kiến thức chắn đa dạng hơn, chủ động khám phá nguyên lý thiết bị cô đặc Thiết bị cô đặc dùng phương pháp nhiệt: Theo cấu tạo o Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung dịch lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: - Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn - Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc) o Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hồn cưỡng bức) Thiết bị đặc nhóm dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: Tieu luan - Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi - Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi o Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị đặc nhóm cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truy ền nhiệt lần (xuôi hay ngược) để tránh tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất số thành phần dung dịch Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép Bao gồm: - Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ - Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt bọt dễ vỡ Theo phương thức thực q trình Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn + Cô đặc áp suất chân khơng: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp áp suất chân không + Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục + Cô đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi khơng nên q lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế + Cô đặc liên tục: cho kết tốt đặc gián đoạn Có thể điều khiển tự động chưa có cảm biến đủ tin cậy Tieu luan + Đối với nhóm thiết bị, ta thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi, có khơng có ống tuần hồn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật tính chất dung dịch, ta áp dụng chế độ đặc áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư Các thiết bị hệ thống đặc - Thiết bị chính: + Ống nhập liệu, ống tháo liệu + Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt + Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp + Các ống dẫn: đốt, thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng - Thiết bị phụ: Tieu luan + Bể chứa nguyên liệu + Bể chứa sản phẩm + Bồn cao vị + Lưu lượng kế + 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… II TIÊU CHUẨN TCVN TCVN - tiêu chuẩn Việt Nam (theo Pháp lệnh chất lượng hàng hóa năm 1999), đến Luật Tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật đời năm 2006 tiêu chuẩn Việt nam chuyển thành Tiêu chuẩn quốc gia lấy ký hiệu TCVN. Kể từ đó, TCVN sử dụng làm tiền tố cho tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam Các TCVN do Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam (thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng) bộ, ngành tổ chức xây dựng, Bộ Khoa học Cơng nghệ cơng bố Hiện có hàng nghìn TCVN bao gồm tiêu chuẩn bản, tiêu chuẩn thuật ngữ, tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật, tiêu chuẩn phương pháp thử lấy mẫu, tiêu chuẩn ghi nhãn, bao gói, vận chuyển bảo quản; thuộc lĩnh vực như cơ khí, luyện kim, giao thơng vận tải, xây dựng, hóa chất, dầu khí, khống sản, nơng nghiệp, thực phẩm, hàng tiêu dùng, mơi trường, an tồn, điện, điện tử, cơng nghệ thơng tin Mục đích sử dụng: Quy định đặc tính kỹ thuật sử dụng làm chuẩn để phân loại, đánh giá chất lượng Tieu luan III SƠ ĐỒ TÍNH TỐN CHỌN THƠNG SỐ TÍNH TỐN KIỂM TRA KhơngThỏa Thỏa KẾT LUẬN IV THƠNG SƠ CƠNG NGHỆ Tieu luan Thông số Năng suất nhập liệu Nồng độ đầu Nồng độ cuối Nhiệt độ đầu nguyên liệu Áp suất thứ Nhiệt độ thứ Nhiệt độ sản phẩm đáy Nhiệt độ đốt (hơi bão hòa) Áp suất đốt (hơi bão hòa) Chiều cao buồng bốc Đường kính buồng bốc Số ống truyền nhiệt Đường kính buồng đốt Chiều cao buồng đốt Giá trị 18 30 30 0,6 86,5 104,6 142,9 2000 800 91 600 1500 Đơn vị m3/h %wt %wt o C at o C o C o C at mm mm mm mm Bảng 1: Thông sô công nghệ V THÔNG SỐ THIẾT KẾ Chọn vật liệu thép không gỉ X18H10T để chế tạo vỏ thiết bị, đáy nắp Tra sổ tay [2]/310 bảng XII.4 ta có thơng số: δk=550.10-6N/m2 δc=220.10-6N/m2 Hệ số an tồn bền thép không gỉ X18H10T ηk=2,6 ηc=1,5 (tra bảng XIII.3 [2]/356) Hệ số hiệu chỉnh xác định theo điều kiện làm việc thiết bị η=1 (bảng XIII.2 [z]/356) Ứng suất cho phép theo giới hạn bền kéo: Tieu luan [δk] =  δk 550.10−6 ∗ɳ= ∗1=¿211.54.10-6 (N/m2)= 211.54(N/mm2) nk 2.6 Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy: [δc]= δc 220.10−6 ∗ɳ= ∗1= 146,67.10-6 (N/m2)= 146,67(N/mm2) nc 1.5 ⇒ Chọn ứng suất cho phép: [δc] =146,67(N/mm2) Thông số làm việc: Dt =600 (mm) Pt= 3at= 0,249 N/mm2 T= 30oC Áp suất bên thiết bị áp suất dư nên thân chịu áp suất với P=Pdư=Pt– Pa=3 – 1=2at=0,196N/mm2 VI THIẾT KẾ BUỒNG ĐỐT  Tính cho bề dày thân: Xét biểu thức : [δ ] 146.67 ∗φh= ∗0,95=¿710,9 > 25 P 0.196 Bề dày tối thiểu: (công thức 5-3 [6]/96) S’= Dt Pt 600.0.196 = =0.422(mm) [ δ ] φh 2.147,67 0,95 Bề dày thực thân trụ hàn: S=S’ + C (công thức 5-9 [6]/96) C hệ số bổ sung bề dày Tieu luan C=Cq+Cb+Cc+Co Trong đó: Ca là hệ số bổ sung ăn mòn hoa học mội trường (mm) Ca=1,2 Cb là hệ số bổ sung bào mòn học môi trường Cb=0 Cc là hệ số bổ sung sai lệch chế tạo, lắp ráp Cc=0 (xem vật liệu học) Co hệ số bổ sung để quy trịn kích thước (mm) C=Ca+Cb+Cc+Co=1,2+0+0+2,378=3,578 (mm) S=S’ + C=0,422 +3,578 =4 (mm)  Kiểm tra bề dày buồng đốt: Dựa vào công thức (5-10 [6]/97): S−Ca 4−1,2 = =4,67.10−3< 0.1(thỏa ) Dt 600 Áp suất tối đa buồng đốt: σ= [ Dt+(S−C)] Po (công thức 5-11 [6]/97) ( S−C ) φh ⇒[P]= σ φh ( S−Ca) 2.146,67.0,95 ( 4−1,2) = =1.294 N/mm2 > Pt= 0,196 N/mm2 Dt+(S−Ca) 600+(4−1,2) ⇒thỏa điều kiện VII THIẾT KẾ BUỒNG BỐC  Các thông số tra chọn: Áp suất tính tốn: Thân buồng bốc chịu áp suất ngồi pCK=0,5 at →Pn= at = 0,0981 N/mm Tieu luan Nhiệt độ tính tốn: Nhiệt độ thứ : tD = 86,5 (oC) Suy nhiệt độ tính toán : tBB = 86,5 oC Chọn vật liệu: Chọn vật liệu làm buồng bốc X18H10T Giới hạn chảy 86,5oC c(BB)t146,67(N/mm2) Module đàn hồi Et = 2,05.105 (N/mm2)  Tính bề dày – Tính ổn định cho buồng bốc: Bề dày tối thiểu * Kiểm tra theo điều kiện (XIII.30): ≤ L/Dt=2500/1000=2,5 ≤ (thỏa) Và theo điều kiện (XIII.31): ¿=( 0,0981 2500 0,4 ¿ ¿ =4,28.10−3 ≤ 0,523 (thỏa) 2,05.10 1000 Vì thỏa mãn điều kiện ta tính chiều dày S’ theo cơng thức (XIII.32) p L S '=1,25 Dt nt E D 0,4 ( ) =1,25.1000 ( 0,0981.2500 2,05.10 1000 ) 0,4 =5,35 mm L(mm) : chiều dài tính tốn buồng bốc L = Hb= 25mm Bề dày thực buồng bốc SBB = SBB' Ca Co 5,351,2 2,3788,93 (mm) → Chọn S=9(mm) * Kiểm tra áp suất cho phép: σ= [ Dt+(S−C)] Po ( S−C ) φ h σ φh ( S−Ca) ⇒[P] = Dt+(S−Ca) = 2.146,67.0,95 ( 9−1,2) =¿ 2,157(N/mm2) > P = 1000+(9−1,2) 0,0981 N/mm2 ⇒thỏa điều kiện Kết luận : Bề dày buồng bốc SBB = mm 10 Tieu luan VIII THIẾT KẾ ĐÁY – NẮP a Nắp elip: Giả sử bề dày nắp bề dày buồng bốc tt = mm = 0,24 in Đường kính ngồi Dn = 812 mm = 31,97 in Bán kính cong: R=0,9 D ngồi=0,9 ×8 12=7 30,8 mm=28,8∈¿ Hệ số A: A = 0,125 R/ t = 0,125 = 28,8/0,24 1,04×10−3 Từ Hình PL6.8, Phụ lục sách Thiết kế khí thiết bị áp lực – Thầy Nguyễn Hữu Hiếu: với A=1,04 ×10−3 , tra được: T =223,7 ℉ (t ° buồng bốc ) { B = 9000 Psi  Kiểm tra áp suất tối đa cho phép: Pa = B 9000 = = R / t 28,8/0,24 75Psi¿ Pa = 14,7 Psi Thỏa điều kiện bền Vậy chọn thép 304 có bề dày tối thiểu 6mm để chế tạo nắp thiết bị b Đáy hình nón : Chọn đáy theo kiểu hình dáng II có: + α = 50o + Đường kính phần đầu lớn phần nón xét : Dt= 600mm = 23,62 in 11 Tieu luan Vì góc α 50 Với nửa góc đỉnh nón α P =0,196N/mm2 Vì chọn đáy kiểu II (đáy không gờ) với Rt = 0,01 Xác định y theo đồ thị Dt α =500 hình XIII.15 trang 400 y=3,4 +[P] = 2× cos ( β ) × [ δ ] × φh × ( S−C a ) D t +2 ×cos ( α ) × ( S−C a ) = 2× cos ⁡( 50)×146,67 × 0,95×(2−1,2) =0.238 600+2 × cos ⁡(100) ×( 2−1,2) N/mm2 > P =0,196N/mm2 Thỏa điều kiện bền  12 Tieu luan Chọn thép 304 có bề dày mm phù hợp để chế tạo đáy nón IX KẾT LUẬN Thiết bị có bề dày tối thiểu yêu cầu: Thiết bị Giá trị Đơn vị Buồng đốt mm Buồng bốc mm Đáy mm Nắp mm Bảng 2 : Kết luận XII TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồ án q trình thiết bị Thiết kế khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu 13 Tieu luan 14 Tieu luan ... động khám phá nguyên lý thiết bị cô đặc Thiết bị cô đặc dùng phương pháp nhiệt: Theo cấu tạo o Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung dịch loãng, độ... hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) phương pháp làm lạnh kết tinh b Các phương pháp cô đặc: - Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt. ..I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC Lý thuyết cô đặc a Định nghĩa Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử Q trình đặc dung dịch lỏng – rắn hay