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%

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I. NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN 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. II. TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU 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.

Mục Lục CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN II TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU III CÔ ĐẶC .3 Định nghĩa Các phương pháp cô đặc 3 phân loại ứng dụng .3 Ưu điểm nhược điểm cô đặc chân không gián đoạn IV QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Thuyết minh quy trình cơng nghệ Các thiết bị lựa chọn quy trình cơng nghệ CHƯƠNG II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH A CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I CÂN BẰNG VẬT CHẤT .8 Cân vật chất B Thiết kế thiết bị .13 I Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 13 Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ 13 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi 13 Nhiệt tải riêng phía tường .14 Nhiệt tải riêng trung bình .15 Tiến trình tải nhiệt riêng 15 Hệ số truyền nhiệt tổng qt K cho q trình đặc 15 Diện tích bề mặt truyền nhiệt .15 C Tính kích thước thiết bị cô đặc 16 I Tính kích thước buồng bốc 16 Đường kính buồng bốc 16 Chiều cao buồng bốc .17 II Tính kích thước buồng đốt .17 Số ống truyền nhiệt 17 Đường kính ống tuần hồn 18 Đường kính buồng đốt ( Dt ) 18 Trang Kiểm tra diện tích truyền nhiệt 18 III Tính kích thước ống dẫn 19 ống nhập liệu 19 ống tháo liệu 19 ống dẫn đốt 19 ống dẫn thứ 20 ống dẫn nước ngưng 20 ống dẫn khí khơng ngưng .20 D tính bền khí cho chi tiết thiết bị cô đặc 20 tính cho buồng đốt 20 Tính cho buồng bốc .23 Tính cho đáy buồng bốc 26 Tính cho nắp buồng bốc 29 Tính cho nắp buồng đốt 31 Tính cho đáy buồng đốt 33 Tính mặt bích 33 Tính vỉ ống 34 Khối lượng tai treo buồng bốc 37 10 Khối lượng tai treo buồng đốt 40 CHƯƠNG III THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ 43 I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 43 Chọn thiết bị ngưng tụ 43 tính thiết bị ngưng tụ 44 II Bơm .49 Bơm chân không 49 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 50 KẾT LUẬN .52 Trang Lời nói đầu Để nâng cao nồng độ dung dịch theo yêu cầu sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến dùng nhiệt để làm bay chất rắn tan khơng bay hơi, nồng độ dung dịch tăng lên theo yêu cầu mong muốn Thiết bị thường sử dụng chủ yếu nâng cao nồng độ dung dịch hóa chất thiết bị đặc Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại phân loại theo nhiều phương pháp khác như: thiết bị đặc ống tuần hồn trung tâm, tuần hồn cưỡng bức…, thiết bị đặc tuần hồn có ống tuần hồn ngồi dùng phổ biến Vì thiết bị có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành sữa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị dùng nồi, nồi, nồi… nối tiếp để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu Trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc nồi nồi để có hiệu suất sử dụng đốt cao nhất, giảm tổn thất trình sản xuất Đồ án q trình thiết bị cơng nghệ hóa học môn học giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế thiết bị hay hệ thống thực nhiệm vụ sản xuất, có kỹ tính tốn cần thiết sau làm việc thực tế Làm đồ án giúp cho sinh viên biết hệ thống hóa kiến thức học vào thực tế, sinh viên tự biết sử dụng việc tra cứu thong số cần thiết, vận dụng kiến thức học tính tốn cách xác, tỉ mỉ bước tránh sai sót đáng tiếc sau, nâng cao kỹ trình bày đọc vẽ thiết bị cách có hệ thống Trang CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Nhiệm vụ cụ thể đồ án môn học Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% đến nồng độ 40% , suất nguyên liệu 600kg, sử dụng ống chùm II TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU NaOH khối tinh thể suốt, màu trắng, ăn da mạnh Nhiệt độ nóng chảy 3180C Nhiệt độ sơi 13880C Nó hấp thu mạnh ẩm CO2 khơng khí, dễ chảy rửa thành Na2CO3 NaOH dễ dàng tan nước, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch NaOH (dạng dung dịch sử dụng nhiều) III CƠ ĐẶC Định nghĩa Cơ đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch gồm hai 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 Cô đặc q trình làm tăng nồng độ chất rắn hịa tan dung dịch cách tách bớt phần dung môi sang dạng Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi 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 phân loại ứng dụng a theo cấu tạo Trang - Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung dịch loãng, 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 hồn ngồi  Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc) - Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hoàn 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:  Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi  Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi - Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền 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 b theo phương pháp thực - Cô 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 không: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp áp suất chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục - Cơ đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi khơng nên q lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta cô 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 Ưu điểm nhược điểm cô đặc chân không gián đoạn Ưu điểm Trang - Giữ chất lượng, tính chất sản phẩm, hay cấu tử dễ bay - Nhập liệu tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng - Thao tác dễ dàng - Có thể đặc đến nồng độ khác - Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch - Cấu tạo đơn gỉan, giá thành thấp Nhược điểm - Quá trình khơng ổn định, tính chất hóa lí dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian - Nhiệt độ thứ thấ p, khô ng dù ng đượ c cho mụ c đích c - Khó giữ độ chân khơng thiết bị IV QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Thuyết minh quy trình cơng nghệ Nguyên liệu ban đầu dung dịch NaOH có nồng độ 10% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu bơm vào buồng đốt bơm nhập liệu Khi nhập đủ 600kg bắt đầu cấp đốt vào buồng đốt để gia nhiệt Buồng đốt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ bố trí theo đỉnh hình tam giác Các đầu ống giữ chặt vỉ ống vỉ ống hàn dính vào thân Nguồn nhiệt nước bão hồ có áp suất at bên ngồi ống (phía vỏ) Dung dịch từ lên bên ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ bề mặt ống cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau gia nhiệt chảy vào buồng bốc để cô đặc thực trình bốc Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy chảy ngồi Dung mơi nước bốc qua ống dẫn thứ sau qua buồng bốc thiết bị tách giọt thứ dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet ngưng tụ nước lạnh, sau ngưng tụ thành lỏng chảy ngồi bồn chứa phần khơng ngưng dẫn qua thiết bị tách giọt để khí khơng ngưng bơm chân khơng hút ngồi Nguyên lý làm việc nồi cô đặc: Dung dịch ống truyền nhiệt đốt (hơi nước bão hồ) khoảng khơng gian ngồi ống buồng đốt Hơi đốt ngưng tụ bên ống truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động ống dung dịch sau đạt tới nhiệt độ sôi cần thiết chảy qua buồng bốc ống tuần hồn ngồi để thực q trình bốc đặc ống tuần hồn nối với đáy buồng bốc Trang khóa lại van dung dịch sau đạt nồng độ 40% tháo bồn chứa qua ống tháo liệu đáy buồng bốc trình gia nhiệt dung dịch buồng đốt đưa vào buồng bốc chưa gia nhiệt tới nhiệt độ sơi van ống tuần hoàn nối với đáy buồng bốc mở để hoàn lưu dung dịch trở lại buồng đốt bơm tuần hoàn, để tiếp tục gia nhiệt cho dung dịch Các thiết bị lựa chọn quy trình cơng nghệ 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:  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… Trang 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 nguyên liệu: chọn t0 = 300c Gia nhiệt nước bão hòa, áp suất 4at Áp suất chân không cô đặc: Pck = 0.7at  Pc = – 0.7 = 0.3 Cân vật chất a Suất lượng tháo liệu (Gc) Theo công thức 5.16, trang 293, [5] Gđ.Xđ = Gc.Xc Gc = Gđ Xđ 600.10 = = 150kg Xc 40 Tổng thứ bốc lên (W) Theo công thức 5.16, trang 293, [5] Gđ = W + Gc  W = Gđ – Gc = 600 – 150 = 450kg Trong đó: Gđ, Gc: W: lượng dung dịch đầu cuối giai đoạn , kg lượng thứ bốc lên giai đoạn, kg Xđ, xc: nồng độ đầu cuối giai đoạn Gđ.xđ, Gc.xc: khối lượng NaOH dung dịch, kg b Tổn thất nhiệt độ Ta có áp suất thiết bị ngưng tụ Pc = 0.3at  Nhiệt độ thứ thiết bị ngưng tụ tc = 68,70c (bảng I.251, trang 314 [1] ) ∆’’’ tổn thất nhiệt độ thứ đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ chọn ∆’’’ = 10c ( trang 296 [5] ) Nhiệt độ sôi dung môi áp suất buồng bốc Tsdm (P0) = tc + ∆’’’ = 68,7 + = 69,70c Áp suất buồng bốc ( tra [1], trang 312 nhiệt độ 69,70c  P0 = 0,3139 at c Tổn thất nhiệt độ nồng độ tăng (∆’) Trang Theo công thức TisenCo ( VI.10 trang 59 [2] ) ∆’ = ∆’0.f Trong ∆’0: tổn thất nhiệt độ nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi áp suất khí Dung dịch đặc tuần hoàn nên A = Xc = 40% Trong bảng VI.2 trang 67 [2]  ∆’0 = 280c f _ hệ số hiệu chỉnh khác áp suất khí quyển, tính theo cơng thức VI.11 trang 59, [2] f = 16,14 (t +273)2 r t - nhiệt độ sôi dung môi áp suất cho ( tsdm (Po) = 69,70c ) r - ẩn nhiệt hóa dung môi nguyên chất áp suất làm việc, bảng I.251, trang 314 [1] r = 2333,732 KJ/Kg  F = 16,14 (69,7 +273)2 = 0.812 2333,732.1000  ∆’ = 28 0,812 = 22,7360c  Tsdd (Po) = tsdm (Po) + ∆’ = 69,7 + 22,736 = 92,4360c d Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh (∆’’) Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến ống ∆p (N/m2), ta có ∆p = ρ s.g.Hop , N/m2 Trong ρ s – khối lượng riêng trung bình dung dịch sủi bọt, Kg/m3 Hop – chiều cao lớp chảy lỏng sôi Hop = [ 0.26 + 0.0014( ρ dd – ρ dm) ] Ho Với Ho – chiều cao ống truyền nhiệt ρ dm – khối lượng riêng dung môi tsdm Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho = 1,5m Do khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số ( ρ dd – ρ dm) thay đổi không đáng kể nên ta chọn tra ρ dd , ρ dm 200c ρ dd (40%) = 1430kg/m3 ρ dm = 998,23 Kg/m3  Hop = [ 0,26 + 0.0014.(1430 – 998,23) ] 1,5 = 1,297m ∆p = 0,5 ρ hh.g.Hop = 0,5 1430.9,81 1,297 = 4548,68 (N/m2) = 0,046at Trang  Ptb = P0 + ∆ p = 0,3139 + 0,046 =0,3599at Nhiệt độ sôi nước 0,3599at 72,800c ( bảng I.251 trang 312 [1] ) Độ tăng nhiệt độ sôi cột thủy tĩnh ∆’’ = tsdm(Ptb) – tsdm(Po) = 72,80 – 69,7 = 3,10c Nhiệt độ sôi dung dịch NaOH 40% áp suất Po + ∆ p tsdd(Po + ∆p) = 92,436 + 3,1 = 95,5360c Sản phẩm lấy đáy  tsdd(Po + 2∆p) = 92,436 + 2.3,1 = 98,6360c  tổn thất nhiệt độ  ∑ ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 22,736 + 3,1 + = 26,8360c Gia nhiệt nước bão hòa, áp suất đốt 4at, tD = 142,90c ( bảng I.251, trang 315 [1] ) Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ∆thi = tD – ( tc + ∑ ∆ )  ∆thi = 142,9 – ( 69,7 + 26,836 ) = 46,3640c Thông số Nồng độ đầu Nồng độ cuối Năng suất nhập liệu Năng suất tháo liệu Suất lượng Áp suất Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ ẩn nhiệt ngưng tụ Nhiệt độ sôi dung dịch Po Tổn thất nhiệt độ nồng độ Áp suất trung bình Nhiệt độ sôi dung môi Ptb Tổn thất nhiệt độ cột thủy tĩnh Tồn thất nhiệt độ đường ống Ký hiệu Xđ Xc Gđ Gc Hơi thứ W Po tsdm(Po) Hơi đốt PD tD rD Tổn thất nhiệt độ Tsdd(Po) Đơn vị %wt %wt kg/h kg/h Giá trị 10 40 600 150 kg/h at C 450 0,3139 69,7 at C kJ/kg 142,9 2141 92,436 ∆’ Ptb tsdm(Ptb) 22,736 0,3599 72,80 ∆’’ 3,1 ∆’’’ Trang 10 C C at C C C f Bu lông ren Bu lông ren làm thép CT3 [ D2 H +d 2b ( h' +h' ' + h'' ' ) ] V1 = Z π Trong đó: D = 1,7.db = 1,7.16 = 27,2 mm – đường kính bu lông H = 0,8.db = 0,8.16 = 12,8 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi h’ = 0,8.db = 0,8.16 = 12,8 mm – chiều cao đai ốc h’’ = h + = 20 + = 22 mm – chiều cao phần lõi bu lơng h’’’ = mm – kích thước phần ren trống 0,02722 0,0128+0,016 2(0,0128+0,022+0,009)  V 1= 20 π = 0,000325 m3 g Đai ốc Đai ốc làm thép CT3 Dùng cho bích nối nắp buồng đốt (d 2n −d 2t ) V2 = Z π H’ Trong đó: H’ = 0,8.db = 0,8 16 = 12,8 mm – chiều cao đai ốc dt = 1,4.db = 1,4 16 = 22,4 mm – đường kính đai ốc dn = 1,15.dt = 1,15.24 = 27,6 mm – đường kính ngồi đai ốc 0,02762−0,0224 0,0128 = 0,0000523 m3  V2 = 20 π  Tổng thể tích thép làm bu lông, ren đai ốc ∑ V = 2V1 + 2V2 = 0,000325 + 0,0000523 = 0,000755 m3 Khối lượng thép làm bu lông, ren đai ốc  m bu lông + m đai ốc = ρ ΣV = 7850 0,000755 = 5,9236 kg  mtb = m buồng đốt + m nắp + m ống TN + m vỉ ống + m bích + m bu lông + m đai ốc = 60,198 + 13,332 + 12245 + 26970,6 + 5,9236 = 39295,1 kg h Thể tích dung dịch thiết bị Vdd = V ốngTN + 2Vđ + Vống TH Thể tích dung dịch ống truyền nhiệt n d2t 61.0,025 V ốngTN = π l=π 1,5 = 0,0449 m3 4 Trong Dt: đường kính ống truyền nhiệt L: chiều dài ống truyền nhiệt Thể tích dung dịch nắp đáy ellip Trang 42   Vđ = 0,0115 = 0,023 m3 Vdd = 0,0449 + 0,023 = 0,0679 m3 Mdd = ρdd Vdd = 1378,123 0,0679 = 93,57 kg Tổng tải trọng thiết bị: M = mtb + mdd = 39295,1 + 93,57 = 39388,6 kg Chọn tai treo thẳng đứng, làm thép CT3 Trọng lượng tai treo: g M G= = 9,81.39388,6 = 96600,6 N ≈ 0,97 104 N Các thông số tai treo chọn từ bảng XIII.36, trang 438, [2]: G.10-4 N G.104 m2 89,5 q.10 -6 N/m2 1,12 L B 110 85 B1 H mm 90 170 S l a d 45 15 23 mt kg Trong đó: G – tải trọng cho phép tai treo; N F – bề mặt đỡ; N q – tải trọng cho phép bề mặt đỡ; N/m mt – khối lượng tai treo; kg I CHƯƠNG III THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Chọn thiết bị ngưng tụ Lượng khí bổ sung sinh thiết bị cô đặc bao gồm: Hơi nước (chủ yếu) Dung mơi dễ bay Khí khơng ngưng - Khí bổ sung cần giải phóng để tạo chân không Thiết bị ngưng tụ kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu Trang 43 - Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết nước, giải phóng lượng nước lớn cho bơm chân không, giảm tiêu hao lượng học tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí khơng ngưng) - Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) Trong đó, nước làm lạnh nước ngưng tụ chảy xuống cịn khí khơng ngưng bơm chân không hút từ phần thiết bị qua phận tách lỏng - Chiều cao ống baromet chọn cho tổng áp suất thiết bị cột áp thuỷ tĩnh với áp suất khí - Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) Trong đó, nước làm lạnh nước ngưng tụ chảy xuống cịn khí khơng ngưng bơm chân khơng hút từ phần thiết bị qua phận tách lỏng - Chiều cao ống baromet chọn cho tổng áp suất thiết bị cột áp thuỷ tĩnh với áp suất khí tính thiết bị ngưng tụ Theo bảng VII.1, trang 97, [2]: nhiệt độ khơng khí trung bình TPHCM t = 27,2 o C, độ ẩm tương đối φ = 77 % Theo giản đồ h – x khơng khí ẩm, h = 72,5 kJ/kg khơng khí ẩm - Nhiệt độ bầu ướt chọn tư = 230C Nhiệt độ đầu nước lạnh chọn t2d = 23 + = 260C - Với pc = 0,6 at tc = 85,5 o C: Nhiệt độ cuối nước lạnh chọn t2c = tc – 10 = 85,5 – 10 = 75,50C - Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng khơng khí cần hút tính theo cơng thức VI.47, trang 84, [2]: Gkk = 0,000025.W + 0,000025.Gn + 0,01.W; kg/s Trong đó: Gn – lượng nước tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, tính theo cơng thức VI.51, trang 84, [2]: Gn = W (i−C n t c ) C n (t c −t d ) Với: W = 450 kg/h – lượng thứ vào thiết bị ngưng tụ i = 2333,732 kJ/kg – nhiệt lượng riêng nước (bảng I.251, trang 314, [1]) cn = 4180 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình nước  450 (2333,732 103−4180.75,5) Gn = 3600 = 1,219215 kg/s 4180.(75,5−26) Trang 44  450 450 Gkk = 0,000025 3600 + 0,000025 1,219215 + 0,01 3600 = 0,001284 kg/s Đối với thiệt bị ngưng tụ trực tiếp loại khơ, nhiệt độ khơng khí tính theo công thức VI.50, trang 84, [2]: tkk = t2d + + 0,1.(t2c – t2d ) = 26 + + 0,1.(75,5 – 26) = 34,950C ⇒ ph = 0,056 at (tra giản đồ h – x không khí ẩm) - Thể tích khơng khí cần hút tính theo cơng thức VI.49, trang 84, [2]: Vkk = 288.G kk (273+ t kk ) 288 0,001284.(273+34,95) = = 0,0021339 m3/s P−P h ( 0,6−0,056 ) 9,81 10 Kích thước chủ yếu thiết bị ngưng tụ: - Thơng thường, suất tính tốn chọn lớn 1,5 lần so với suất thực tế Khi đó, đường kính thiết bị tính theo cơng thức VI.52, trang 84, [2]: √ Dtr = 1,383 W = ρh ω h Trong đó: ρh = 0,1876 kg/m3 – khối lượng riêng thứ 0,3at (tra bảng I.251, trang 314, [2]) ωh = 20 m/s – tốc độ thứ thiết bị ngưng tụ (chọn) √ D tr = 1,383 450 = 0,252433 m 3600 0,1876 20  Chọn Dtr = 0,5 m = 500 mm Kích thước thiết bị ngưng tụ baromet chọn theo bảng VI.8, trang 88, [2]: Kích thước Ký hiệu Đường kính thiết bị Chiều dày thành thiết bị Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị Bề rộng ngăn Khoảng cách tâm thiết bị ngưng tụ thiết bị thu hồi Chiều rộng hệ thống thiết bị Trang 45 Dtr S a0 an b K1 Giá trị; mm 500 1300 1200 675 K2 T 1300 Đường kính thiết bị thu hồi Chiều cao thiết bị thu hồi Đường kính thiết bị thu hồi Đường kính cửa vào: Hơi vào Nước vào Hỗn hợp khí Nối với ống baromet Hỗn hợp khí vào thiệt bị thu hồi Hỗn hợp khí khỏi thiết bị thu hồi Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet Ống thơng khí D1 h1(h) D2 150 1440 - d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 300 100 80 125 80 50 50 - Kích thước ngăn: Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt Chiều rộng ngăn xác định theo công thức VI.53, trang 85, [2]: b= Dtr 500 + 50 = + 50 = 300 (mm) Có nhiều lỗ nhỏ đục ngăn, nước làm nguội nước nên đường kính lỗ chọn d = mm - Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ thứ: Nhiệt độ trung bình nước: Ttb =  t d + t c 26+75,5 = = 50,750c 2 ρn = = 987,725 kg/m (bảng I.249, trang 310, [1]) Chọn chiều cao gờ ngăn h = 40 mm, chiều dày ngăn δ = mm, tốc độ tia nước ω c = 0,62 m/s Tổng diện tích bề mặt lỗ tồn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ, nghĩa cặp ngăn Gn F = ω , công thức VI.54 trang 85 tài liệu [2] c 1,219215  F = 0,62 987,725 106 = 1990,914 mm2  Số lỗ ống n Trang 46 4f n = π d2 = 1990,914 = 634 (lỗ) π Chọn chiều dày ngăn 4mm Các lỗ xếp theo hình lục giác f c 0,5 Bước lỗ t = 0,866.d 1.( ) mm f tb fc tỉ số tổng diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ f tb 1990,914 fc = π 5002 = 0,01 f tb Vậy bước lỗ t = 0,866.2.0,010,5 = 0,1732 mm Chiều cao thiết bị ngưng tụ Mức độ đun nóng (cơng thức VI.56 trang 85 tài liệu [2]) t c −t d 75,5−26 P = t −t = 85,5−26 = 0,832 bh 2d Tra bảng VI.7, trang 86, [2] với d = mm Số ngăn n = Số bậc n = Khoảng cách ngăn h = 400 mm Thời gian rơi qua bậc τ = 0,41 s Trong thực tế, thiết bị ngưng tụ từ lên thể tích giảm dần Do đó, khoảng cách hợp lý ngăn nên giảm dần theo hướng từ lên khoảng 50 mm cho ngăn Chọn khoảng cách ngăn 400 mm Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị 1300 mm Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị 1200 mm Chiều cao phần gờ nắp 50 mm Chiều cao phần nắp ellipse 125 mm Chiều cao phần đáy nón 175 mm  Chiều cao thiết bị ngưng tụ  H = 125 + 50 + 1300 + 400.7 + 1200 + 175 = 5650 mm Kích thước ống baromet Chọn đường kính ống baromet d = 100 mm = 0,1 m Trang 47 Tốc độ nước lạnh nước ngưng tụ chảy ống baromet tính theo công thức VI.57, trang 86, [2]: D= √ 450 ) 0,004.(G n +W ) 0,004.(1,219215+ 0,004.( Gn+W ) 3600 ω= = = π d π ω π 0,1 0,1712 m/s Chiều cao ống baromet tính theo công thức II-15, trang 102, [4]: H’ = h1 + h2 + h3 + h4; m Chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h tính theo cơng thức VI.59, trang 86, [2]: h1 = 10,33 b ;m 760 Trong đó: b – độ chân không thiết bị ngưng tụ; mmHg b = 0,7.735 = 514,5 mmHg 514,5  H1 = 10,33 760 = m Chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống h2 tính theo công thức VI.60, trang 87, [2] H ω2 h2 = (1 + λ d +∑ ξ ); m 2g Chọn hệ số trở lực vào ống ξ1 = 0,5 khỏi ống ξ2 = ⇒ Σξ = 1,5  h2 = H ω2 (2,5 + λ d ); m 2g Nước lạnh nước ngưng tụ có: ttb = 50,75 o C ρn = 987,725 kg/m μn = 0,000543 Ns/m  Re = ω d ρn 0,5.0,1 987,725 = = 91001,01 ≥ 4000 (chế độ chảy rối) 0,000543 μn Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Re gh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Trang 48 8 ℜgh = 6.( d ) = 6.( 0,1 ) = 7289,343 ε 0,0002 Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: d 0,1 98 ) = 239201,5 Ren = 220.( )8 = 220.( ε   0,0002 ℜgh < Re < Ren (khu vực độ) Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380 [1] ε 0,0002 100 100 λ = 0,1.(1,46 d + ℜ )0,25 = 0,1.(1,46 0,1 + 91001,01 )0,25 = 0,0252 h2 = 0,1712 H' (2,5 + 0,0252 ) = 0,00373 + 0,000376.H’; m 2.9,81 0,1 Chọn chiều cao dự trữ h3 = 0,5 m để đề ngăn ngừa nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn áp suất khí tăng Chọn chiều cao đoạn ống baromet ngập bể nước h4 = 0,5 m  H’ = + 0,00373 + 0,000376.H’ + 0,5 + 0,5  H’ = 8,0067  Chọn chiều cao H’ = 8m Chiều cao thiết bị ΣH = H + H’ = 5,65 + = 13,65 m II Bơm Bơm chân không Công suất bơm chân không: V kk m p m−1 N = η m−1 p1.[ ( ) m – 1]; W p1 ck Trong đó: m – số đa biến, có giá trị từ 1,2 đến 1,62 Chọn m = 1,62 p1 – áp suất khơng khí thiết bị ngưng tụ p1 = pc – ph = 0,3– 0,056 = 0,244 at Với: ph – áp suất nước hỗn hợp p2 = p a = at = 9,81.10 N/m – áp suất khí V kk – lưu lượng thể tích khơng khí cần hút ηck = 0,8 – hệ số hiệu chỉnh  N= 0,0021339 1,62 1,62−1 ( ) 1,62 −1 ¿ = 119,408W 0,244.9,81.104.[ 0,8 1,62−1 0,244 Tốc độ hút 00C 760 mmHg S = 0,0021339.60 = 0,12803 m3/phút Trang 49 Theo bảng 1.4, trang 9, [10], ta chọn bơm có ký hiệu BH-025-2 với thông số: Các thông số Số cấp Tốc độ bơm vùng áp suất 760 – mmHg; L/s Lượng dầu; L Cơng suất động cơ; kW Kích thước tổng thể dài x rộng x cao; mm Khối lượng; kg Bơm BH-025-2 0,25 0,86 0,18 330 x 243,5 x 229 16,5 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ Công suất bơm Q ρ g H N = 1000 η ; KW Trong đó: H – cột áp bơm; m η – hiệu suất bơm Chọn η = 0,75 ρ = 996,66 kg/m3 – khối lượng riêng nước 260C Q – lưu lượng thể tích nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ m3 /s Q= G n 1,219215 = 996,66 = 0,00122 m3/s ρ Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt - (mặt thoáng bể nước) – (mặt thoáng thiết bị ngưng tụ): Z1 + p α v 21 p α v2 + + H = z2 + + 2 + h1−2 γ γ 2g 2g Trong đó: v1 = v2 = m/s p1 = at p2 = 0,3 at Trang 50 μ = 0,000874 Ns/m – độ nhớt động lực nước 26 o C (bảng I.249, trang 310, [1]) z1 = m – khoảng cách từ mặt thoáng bể nước đến mặt đất z2 = 12 m – khoảng cách từ mặt thoáng thiết bị ngưng tụ đến mặt đất chọn d hút = d đẩy = 100mm = 0,1m  0,1m  v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ l = 13 m Tốc độ dòng chảy ống: Q 0,00122 V = π d = π 0,12 = 0,155335 m/s 4 Chuẩn số Reynolds: Re = v d ρ 0,155335.0,1.996,66 = = 17713,523 ≥ 4000 (chế độ chảy rối) μ 0,000874 Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1])  độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1] d 0,1 87 ) = 7289,343 Regh = 6.( ) = ( ε 0,0002 Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: d 0,1 98 ) = 239201,5 Ren = 220.( )8 = 220.( ε   0,0002 Regh < Re < Ren ( khu vực độ) Hệ số ma sát λ tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: ε 0,0002 100 100 λ = 0,1.(1,46 d + ℜ )0,25 = 0,1.(1,46 0,1 + 17713,523 )0,25 = 0,0304 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Đầu vào Đầu Khủy 900 Van cửa Ξvào Ξra ξkhuỷu 90 ξ van   Σξ = 0,5 + + 2.1 + 2.1,5 = 6,5 Tổng tổn thất đường ống Trang 51 Hệ số trở lực cục 0,5 1 1,5 Số lượng 1 2 H1-2 =  l 13 v2 0,1553352 ( λ d + Σξ) = ( 0,0304 0,1 + 6,5) = 0,0129 m 2g 2.9,81 Cột áp bơm: p − p1 ( 0,3−1 ) 9,81 104 H = (z2 – z1) + + h1-2 = ( 12 – ) + + γ 996,66.9,81 0,0129 = 2,989  N= 0,00122.996,66.9,81 2,989 = 0,0475 kW 1000.0,75 Chọn N = 0,25 hp Chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, bẩn Ký hiệu bơm K Bơm nhập liệu Công suất bơm Q ρ g H N = 1000 η ; KW Trong Q: lưu lượng nhập liệu (m3/s) Q= Gđ 600 = 3600.1068,917 = 0,000156 m3/s ρ H: cột áp bơm (m) Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt - (mặt thoáng bể chứa nguyên liệu) – (miệng ống nhập liệu): Z1 + p α v 21 p α v2 + + H = z2 + + 2 + h1−2 γ γ 2g 2g Trong đó: v1 ,v2 : vận tốc dung dịch mặt cắt (m/s) v1 = v2 = v : vận tốc dung dịch ống (m/s) p1, p2 : áp suất mặt cắt p1 = p2 = at h1−2 : tổng tổn thất ống (m) Ta có H1-2 = l v2 ( λ d + Σξ) 2g ξ : tổng hệ số tổn thất cục ξ = ξv + 2* ξkhuc quanh 90 + ξvan + ξra = 0,5 + 2*1,19 +2*0,5 + = 4,88 l, d : chiều dài, đường kính ống nối bơm (m) chọn đường kính d = d hút = d đẩy = dnl = 50 (mm) Trang 52 vận tốc chảy ống v= 4Q 0,000156 = 0,079 (m/s) = π d π 0,052 Chuẩn số Reynolds: Re = v d ρ 0,079.0,05 1068,917 = = 5946,79 ≥ 4000 (chế độ chảy rối) μ 0,71 10−3 Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1])  độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1] 8 d 50 Regh = 6.( ) = ( ) = 3301,07 ε 0,2 Ren tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 9 d 50 Ren = 220.( ) = 220.( ) = 109674,4 ε   0,2 Regh < Re < Ren ( khu vực độ) Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: ε 0,2 100 100 λ = 0,1.(1,46 d + ℜ )0,25 = 0,1.(1,46 50 + 5946,79 )0,25 = 0,0388 chiều dài đường ống từ bể lê cửa nhập liệu l = 8m  Tổng tổn thất áp suất l v2 0,0792 ( λ d + Σξ) = (0,0388 0,05 + 4,88 ) = 0,105 m 2g 2.9,81 chọn α = α =1  cột áp bơm p −p v2 0,0792 H = (z2 – z1) + + + h 1-2 = ( 6,5 – ) + + 0,105 = 4,605 m γ 2g 2.9,81 h1-2 =  Công suất bơm 0,000156 1068,917 9,81.4,605 = 0,01 kW 1000.0,75  N=  Chọn bơm theo bảng 1.7 trang 35 tài liệu [4] Hiệu bơm: X20/18 Lưu lượng Q = 5,5 10-3 m3/s Số vòng n = 48,3 v/ph Động điện: loại A02-31-2 Công suất N = kw Trang 53 KẾT LUẬN Các phần tính tốn nêu cho thấy: Hệ thống đặc chân không nồi gián đoạn dung dịch NaOH với suất nhập liệu 600Kg đơn giản Vì suất khơng cao nên kích thước của thiết bị mức độ vừa phải Chi phí đầu tư khơng cao, thiết bị chiếm khoảng 33 % tổng chi phí Kết cấu thiết bị đơn giản điều khiển tự động Vì vậy, nhìn chung hệ thống phù hợp với quy mơ phịng thí nghiệm quy mơ pilot Trang 54 Trang 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nhiều tác giả, Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hoá chất, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [2] Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hố chất, tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] Phạm Văn Bôn, Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hố học & Thực phẩm, tập 10, Ví dụ tập, NXB ĐHQG TPHCM, 2010 [4] Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt chuyển khối, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [5] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, Q trình thiết bị Cơng nghệ Hố học & Thực phẩm, tập 5, Quá trình thiết bị truyền nhiệt, Quyển 1: Truyền nhiệt ổn định, NXB ĐHQG TPHCM, 2006 [6] Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế Thiết bị hoá chất chế biến thực phẩm đa dụng, Bộ Giáo dục Đào tạo, Viện Đào tạo Mở rộng [7] Hồ Lê Viên, Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hố chất dầu khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [8] Bộ môn Máy Thiết bị, Bảng tra cứu Quá trình học – Truyền nhiệt – Truyền khối,NXB ĐHQG TPHCM, 2009 [9] Phạm Xuân Toản, Các q trình, thiết bị Cơng nghệ Hố chất Thực phẩm, tập 3: Các trình thiết bị truyền nhiệt, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [10]Lê Nguyên Đương, Ứng dụng chân không công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1987 Trang 56