Tổng quan
Giới thiệu chung về nguyên liệu CaCl2
Canxi clorua (CaCl2) là hợp chất ion canxi, bao gồm kim loại kiềm thổ và clo Hợp chất này có dạng dung dịch không màu, không mùi và không độc, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau trên toàn cầu.
Canxi clorua (CaCl2) là một dung dịch lỏng có khả năng hút ẩm cao và tỏa nhiệt, giúp nó hấp thụ độ ẩm từ môi trường xung quanh và ngăn chặn sự bốc hơi Nhờ vào đặc tính này cùng với nhiệt phát sinh trong các phản ứng hóa học, canxi clorua trở thành một chất lý tưởng cho việc xây dựng và bảo trì đường bộ, bao gồm kiểm soát băng, bụi và ổn định nền.
•Cơ sở ổn định cho xây dựng đường
•Freeze-hiê ̣u đinh cát để áp dụng đường mùa đông
•Nước thải tinh chế viện trợ, flocculent, bãi bỏ các phốt phát và fluorides
• Bơm vữa đại lý cho các mỏ và giếng dầu
• Môi trường phụ gia cho xi măng lò nung
• Nitơ ức chế cho các nhà máy phân bón
•Muối thay thế trong thức ăn động vật (như là một bổ sung cho thiếu hụt canxi)
• Phân bón hữu cơ canxi
•Điều chỉnh độ pH đất
•Chất chống đông cho xe vui chơi giải trí, quăn & rinks trượt băng và nhiều hơn nữa
Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm
Quá trình cô đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi cao thường được thực hiện bằng cách tách một phần dung môi dễ bay hơi Tùy thuộc vào tính chất của cấu tử khó bay hơi, phương pháp tách dung môi có thể sử dụng nhiệt độ (đun nóng) hoặc làm lạnh kết tinh.
Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng) là quá trình mà dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi nhiệt độ tăng, với điều kiện áp suất riêng phần của dung môi đạt bằng áp suất tác động lên bề mặt chất lỏng.
Phương pháp lạnh là quá trình hạ thấp nhiệt độ để tách một cấu tử dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường là kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Nhiệt độ kết tinh phụ thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài, có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, và đôi khi cần sử dụng máy lạnh để thực hiện.
Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Để chuyển đổi chất lỏng thành hơi, tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử phải vượt qua một ngưỡng nhất định Khi phân tử bay hơi, chúng hấp thụ nhiệt để vượt qua lực liên kết trong trạng thái lỏng và các lực cản bên ngoài Vì vậy, việc cung cấp nhiệt là cần thiết để các phân tử có đủ năng lượng thực hiện quá trình bay hơi này.
Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu xảy ra do bọt khí hình thành khi cấp nhiệt và chuyển động liên tục, tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên nhờ vào chênh lệch khối lượng riêng giữa các phần tử trên bề mặt và dưới đáy Để ngăn chặn sự tạo bọt trong quá trình này, việc tách không khí và lắng keo (protit) là rất quan trọng.
Ứng dụng của sự cô đặc
Trong ngành sản xuất thực phẩm, việc cô đặc các dung dịch như đường, mì chính và nước trái cây là rất cần thiết Tương tự, trong sản xuất hóa chất, quá trình cô đặc các dung dịch như NaOH, NaCl, CaCl2 và các muối vô cơ cũng đóng vai trò quan trọng.
Hiện nay, hầu hết các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc là một hoạt động gián tiếp, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại của nhà máy Để nâng cao hiệu quả của thiết bị cô đặc, việc cải tiến công nghệ và sử dụng thiết bị hiện đại, an toàn và hiệu suất cao là điều cần thiết.
Phân loại và ứng dụng
Nhóm 1 bao gồm dung dịch đối lưu tự nhiên, hay còn gọi là tuần hoàn tự nhiên Thiết bị cô đặc thuộc nhóm này có khả năng cô đặc dung dịch loãng với độ nhớt thấp, giúp đảm bảo quá trình tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)
Nhóm 2 bao gồm dung dịch đối lưu cưỡng bức, hay còn gọi là tuần hoàn cưỡng bức, sử dụng bơm để tạo ra vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm nổi bật của nhóm này là khả năng tăng cường hệ số truyền nhiệt k, cho phép sử dụng với các dung dịch có độ đặc sệt và độ nhớt cao, đồng thời giảm thiểu hiện tượng bám cặn và kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Thiết bị trong nhóm này bao gồm buồng đốt trong và ống tuần hoàn ngoài.
Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3 bao gồm dung dịch chảy thành màng mỏng, với thiết bị cô đặc cho phép dung dịch chảy qua bề mặt truyền nhiệt một lần, giúp tránh tác động nhiệt lâu dài làm biến chất một số thành phần Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây và hoa quả ép.
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.
Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) là quá trình diễn ra với nhiệt độ sôi và áp suất không đổi Phương pháp này thường được áp dụng trong việc cô đặc dung dịch liên tục, giúp duy trì mức dung dịch ổn định, từ đó tối ưu hóa năng suất và rút ngắn thời gian cô đặc.
Cô đặc áp suất chân không là quá trình sử dụng áp suất thấp để giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giúp tăng hiệu quả cô đặc Quá trình này cho phép dung dịch tuần hoàn tốt, hạn chế việc tạo cặn và đảm bảo sự bay hơi liên tục của dung môi.
Cô đặc nhiều nồi nhằm tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên quá lớn để đảm bảo hiệu quả tiết kiệm Có thể áp dụng các phương pháp cô chân không, cô áp lực hoặc kết hợp cả hai Đặc biệt, việc sử dụng hơi thứ cho các mục đích khác cũng giúp nâng cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục mang lại hiệu quả vượt trội so với cô đặc gián đoạn, mặc dù hiện tại chưa có cảm biến đủ độ tin cậy để điều khiển tự động Mỗi nhóm thiết bị có thể được thiết kế với buồng đốt trong hoặc ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy thuộc vào điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
Thiết bị ngưng tụ baromet
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…
Sơ đồ PFD
Sơ đồ hệ thống cô đặc 1 nồi CaCl2
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC
THỰC HÀNH TÍNH TOÁN HÊ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHÊ HÓA HỌC
Bản vẽ PFD quá trình cô đặc dung dịch CaCl2 với năng suất theo nhập liệu 2400kg/h
CW Áp suất (at) Nhiệt độ (oC) Lưu lượng (kg/h) LEGEND/CHÚ THÍCH
V-103 Bồn chứa hơi ngưng tụ
E-102 Thiết bị ngưng tụ baromet
E-103 thiết bị làm nguội sản phẩm
P-101 A/B Bơm nhập liệu vào thiết bị gia nhiệt
P-102 A/B Bơm sản phẩm vào thiết bị làm nguội
E-104 Thiết bị thu hồi bọt
Evaporato Thiết bị cô đặc
Bộ điều khiển nhiệt độ
Bộ hiển thị nhiệt độ
Bộ điều khiển mực chất lỏng
Bộ hiển thị mực chất lỏng
Bộ điều khiển lưu lượng chất lỏng
Bộ hiển thị lưu lượng chất lỏng
Thông tin Ký hiệu Nhiệt độ 30 94.5 86.5 45 104.4 30 30 119.6 30 30 Áp suất at 1 1 0.626 1 0.758 1 1 2 1 1
Thuyết minh quy trình
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch CaCl2 với nồng độ 17% Dung dịch này được bơm từ bể chứa qua lưu lượng kế, sau đó đi vào thiết bị gia nhiệt để được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt là một loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, với thân hình trụ và bên trong chứa nhiều ống nhỏ sắp xếp theo hình tam giác đều Các đầu ống được cố định trên vỉ ống, vỉ ống được hàn chặt vào thân thiết bị Nguồn nhiệt được cung cấp từ hơi nước bão hòa có áp suất 2 at, đi bên ngoài ống, trong khi dung dịch đi từ dưới lên bên trong ống Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống, cung cấp nhiệt cho dung dịch, nâng nhiệt độ của nó lên đến điểm sôi Sau khi được gia nhiệt, dung dịch sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi, trong khi hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và được dẫn qua ống dẫn nước ngưng ra ngoài qua bẫy hơi.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:
Phần dưới của thiết bị chứa buồng đốt với các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch di chuyển trong ống trong khi hơi nước bão hòa lưu thông bên ngoài Hơi nước ngưng tụ bên ngoài ống, truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động bên trong.
Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi
Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:
Khi thiết bị hoạt động, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi và tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi với khối lượng riêng giảm, được đẩy từ dưới lên trên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn, dẫn đến lượng hơi tạo ra nhiều hơn Do đó, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi trong ống tuần hoàn lớn hơn, khiến hỗn hợp này bị đẩy xuống dưới Kết quả là tạo ra dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần trên thiết bị chứa buồng bốc, nơi tách hỗn hợp lỏng và hơi thành hai dòng riêng biệt Hơi sẽ đi lên trên buồng bốc và được dẫn đến bộ phận tách giọt, nơi loại bỏ các giọt lỏng khỏi dòng hơi Các giọt lỏng sẽ chảy xuống dưới, trong khi hơi tiếp tục di chuyển lên trên Dung dịch còn lại sẽ được hoàn lưu lại trong hệ thống.
Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài qua ống tháo sản phẩm vào bể chứa nhờ bơm ly tâm Hơi và khí không ngưng thoát ra từ trên buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet, nơi chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng Dòng hơi thứ đi lên gặp nước làm mát để ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên, được dẫn qua bộ phận tách giọt và được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ, thể tích hơi giảm, dẫn đến áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm, giúp thiết bị ổn định và duy trì áp suất trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển và cần lắp đặt ở độ cao để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài mà không cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn để tách giọt lỏng theo dòng khí không ngưng, đưa về bồn chứa nước ngưng.
Cân bằng vật chất và năng lượng
Dữ kiện ban đầu
Nồng độ đầu của nguyên liệu là 17%, trong khi nồng độ cuối đạt 38% Năng suất nhập liệu được duy trì ở mức 2400 kg/h, với nhiệt độ đầu của nguyên liệu là 30 ℃ Quá trình gia nhiệt sử dụng hơi nước bão hòa có độ ẩm 5% và áp suất là 2 at Cuối cùng, áp suất ngưng tụ được thiết lập ở mức 0,6 at.
Cân bằng vật chất
3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc)
3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Tổn thất nhiệt độ
Áp suất tại thiết bị ngưng tụ được xác định là p c = 0,6 at, dẫn đến nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là t w = 85,5 ℃ Tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ được chọn là Δ’’’ = 1 ℃.
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: t sdm ( P o ) – t w = Δ’’’
⇒ t sdm ( P o )=t w +Δ’ ’’,5+1,5℃ Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 86,5 0 C ⇒ P 0 =0,626 at
3.3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)
Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]:
∆ ' o - 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 có tuần hoàn nên a=xtb',5 %
Trong bảng VI.2, trang 66, [2], giá trị ∆ ' o được xác định là 8,75℃ Hệ số hiệu chỉnh f do khác áp suất khí quyển được tính theo công thức VI.11, trang 59, [2] Trong đó, t là nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, với giá trị t sdm (P o) là 86,5℃, và r là ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất tại áp suất làm việc.
Tra bảng I.251, trang 314, [1]: r w = 2291 (kJ/kg).
3.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)
Giả sử áp suất t sdd (P 0 + ΔP) là 100 ℃ với độ ẩm x c = 38% và mật độ ρ dd = 1322 kg/m³ (theo [1], bảng I.32 trang 38) Chiều cao ống truyền nhiệt được chọn là h = 3 m (theo bảng VI.6, trang 80, [2]), trong khi chiều cao thích hợp của dung dịch sôi từ miệng ống đến mặt thoáng là h 1 = 0,5 m Gia tốc trọng trường g được xem xét trong tính toán.
P 0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m 2
P tb =0,626 9,81 10 4 + ( 0,5+ 3 2 ) 1322 2 9,81t3379,42 N / m 2 = 0,758 at Tra bảng I.251, trang 314, [1], p tb = 0,758 at tương ứng với t sdm ( P tb ) = 91,46 ℃
Sai số 0,001% Vậy t sdd (P tb ) = 100 o C
3.3.3 Tổng tổn thất nhiệt độ: Σ Δ=Δ’+ Δ’’ + Δ’’ ’
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2 at, t D = 119,6 o C (bảng I.251, trang 315, [1]).
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67, [2].
Hiệu số nhiệt độ chung được tính bằng công thức ∆ t ch = t D − t w, trong đó t D là nhiệt độ hơi đốt của nồi (℃) và t w là nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ (℃) Tổng tổn thất nhiệt được ký hiệu là Σ Δ và cũng được tính bằng đơn vị ℃.
3.3.4 Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl 2 :
Nhiệt độ của dung dịch CaCl 2 đi vào thiết bị cô đặc là t sdd = 94,5 o C Nhiệt độ của dung dịch CaCl 2 38 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là: t c = t sdd ( P 0 ) +2 Δ’’,5+2.4,964,42 ℃
Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl 2 ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]: a = 17 % (a < 0,2): đ A86 (1−a)A86 (1−0,17)474,38 J / (kg K) a = 38% (a > 0,2):
C c ¿ 4186− ( 4186− ct ) aA86 –( 4186 – 702,7).0,38(62,346 J/(kg.K) Với c ct là nhiệt dung riêng của CaCl 2 khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141, trang 152, [1]:
111 p2,7 J /(kg K ) Tra bảng I.154, trang172, [1] ta được nhiệt dung riêng ở nhiệt độ sôi 94,5 ℃ nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl 2 là đ sdd 854,49J /( kg K )
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nồng độ đầu x đ % khối lượng 17
Nồng độ cuối x c % khối lượng 38
Năng suất nhập liệu G đ kg/h 2400
Năng suất sản phẩm G c kg/h 1073,6
Suất lượng W kg/h 1326,32 Áp suất P o At 0,626
Enthalpy i w kJ/kg 2651,8 Ẩn nhiệt hóa hơi r w kJ/kg 2322
Hơi đốt Áp suất P D At 2
Nhiệt độ t D o C 119,6 Ẩn nhiệt ngưng tụ r D kJ/kg 2208
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Po t sdd (P o ) o C 94,5
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ o C 8 Áp suất trung bình P tb At 0,758
Nhiệt độ sôi của dung môi ở Ptb t sdm (P tb ) o C 91,46
Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh Δ” o C 4,96
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb t sdd (P tb ) o C 100
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ”’ o C 1
Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ o C 13,96
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δt hi o C 19,54
Cân bằng năng lượng
3.4.1 Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt E-101
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt độ của dung dịch CaCl 2 trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: t đ = 30 o C t sdd = t sdd ( P 0 ),5 ℃
Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình dẫn hơi đốt là 5% so với tổng nhiệt lượng cung cấp Trên đường ống dẫn, một phần hơi đốt bị ngưng tụ, do đó độ ẩm của hơi đốt được xác định là 5%.
Lượng hơi nước sử dụng cho thiết bị gia nhiệt
3.4.2 Cân bằng năng lượng ở thiết bị cô đặc
Phương trình cân bằng nhiệt.
Do trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi đốt là 5%
Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp
⇒ Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị cô đặc
= 2034,97 kg/h Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp cho nồi cô đặc
Q tt=0,05 Q D =0,05 1107547,97U377,39W Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng: d= D
3.4.3 Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ E-102
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Dựa vào bảng I.251, trang 314 [1], tra được hàm nhiệt hóa hơi của nước tại 0,6 at là 2651,8.10 3 J/kg
Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi thứ tỏa ra
Lượng nước làm mát đi vào thiết bị ngưng tụ hơi thứ:
3.4.4 Cân bằng năng lượng tại thiết bị làm nguội sản phẩm E-103
Gc.Csdd.tc Gc.Cc.tsp
Phương trình cân bằng năng lượng
Chọn nhiệt độ đầu ra của sản phẩm t sp @ ℃
Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng sản phẩm ra Lượng nước sử dụng cho quá trình làm nguội
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ vào buồng bốc t đ ℃ 94,5
Nhiệt độ ra ở đáy buồng bốc t c ℃ 104,42
Nhiệt dung riêng dung dịch 17% Cđ J/(kg.K) 3683,68
Nhiệt dung riêng dung dịch 38% Cc J/(kg.K) 2805,88
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp Q D W 1107547,97
Lượng hơi đốt cung cấp D Kg/h 2034,97
Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng D Kg/kg 1,534
Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị gia nhiệt
Nhiệt dung riêng của nước ngưng C n KJ/kg.độ 4186
Lượng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ
Thiết bị làm nguội sản phẩm
Lượng nước làm nguội G 2 Kg/h 349,62
Thiết kế thiết bị chính
Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt
α 1 =2,04 A ( H Δt r D 1 ) 0,25 (công thức V.101 trang 28, [2]) Với α 1 là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/(m 2 K)
H là chiều cao ống truyền nhiệt H = h 2 = 3 m
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng t m : t m = t D +t v 1 2
Chọn nhiệt độ vách ngoài t v1 4,4 ℃
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng
Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ của dung dịch: α n =0,145 P 0,5 ∆ t 2,33 (công thức V.91, trang 26 [2])
α n =0,145 63429,45 0,5 8,75 2,33 W19,95 ( W ¿m 2 K ) Xem nồng độ trong CaCl 2 dung dịch là x c = 38%, Phần mol của dung dịch NaNO 3 : a = x c
Khối lượng mol của hỗn hợp lỏng:
4.2.1 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(Ptb): λ dd = A.C dd ρ dd √ 3 ρ M dd ,(W/mK) (công thức I.32 trang 123, [1])Với A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với dung dịch CaCl 2 , A = 3,58.10 -8
M: khối lượng mol dd = c (62,346 (J/kg.K) – nhiệt dung riêng của dung dịch ở t sdd (P tb ) ρ dd 22 ,72 (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của dung dịch ở t sdd (P tb ) (tra [1], bảng I.32 trang 38 ở nhiệt độ 100 ℃ )
4.2.2 Hệ số cấp nhiệt của dung dịch: α 2 =α n ( λ λ dm dd ) 0,565 [ ( ρdm ρ dd ) 2 dd dm à à dm dd ] 0,435
Với λ dm = 0,585 (W/m.K) – hệ số dẫn nhiệt của dung môi ở t sdm (P tb ) (tra bảng I.129 trang 133, [1])
C dm = 4217 (J/kg.K) – nhiệt dung riêng của nước ở t sdm (P tb ) (tra bảng I.149 trang 168, [1]) ρ dm = 964,34 (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của nước ở ở t sdm (P tb ) (tra bảng I.5 trang 12, [1])
Trong đó: t μ 1 ,t μ2 là nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt tương ứng với μ 1 , μ 2 θ μ 1 , θ μ2 nhiệt độ chất lỏng chất chuẩn μ 1 , μ 2
Với dung dịch CaCl 2 15% có độ nhớt theo bảng I.107, trang 101,[1] ta có: t μ1 ℃ ⇒ μ dd 1 =1.87 10 −3 (N s / m 2 ) t μ2 ℃ ⇒ μ dd 2 =1.52 10 −3 (N s / m 2 ) Chọn nước làm chất lỏng chuẩn theo bảng I.102, trang 94, [1] μ n c ướ =1,87 10 −3 ( N s /m 2 ) ⟹ θ μ 1 =0℃ t μ 1 −t μ 2 θ μ 1 −θ μ2
Với dung dịch CaCl 2 38% có t sdd ( P tb ) 0 ℃ ⟹ μ a l 2 tại nhiệt độ này
Vậy μ n c ướ ( 44,69℃ ) bằng độ nhớt dung dịch CaCl 2 tại t sdd ( P tb ) 0 ℃ : μ dd =0,6024.10 −3 ( N s /m 2 )
dm = 0,3114.10 -3 N.s/m 2 – độ nhớt của nước ở t sdm ( P tb ) (tra bảng I.102 trang 94, [1]) α 2 W19,95 ( 0,499 0,585 ) 0,565 [ ( 1322,72 964,34 ) 2 2862,346 4217 0,6024 10 0,3114.10 −3 −3 ] 0,435
4.2.3 Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q 2 =α 2 ∆ t 2 C40,2.8, 757976,79 (W/m 2 ) Sai số tương đối của q 2 so với q 1 : δ q= | q 1 −q 2 | q 1
Sai số chấp nhận được Vậy các thông số đã chọn phù hợp.
4.2.4 Nhiệt tải riêng trung bình: q tb = q 1 +q 2
Trong bài viết này, r1 là nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng, với giá trị r1 = 2900 và r1 = 0,3448.10^-3 (m².K/W) Giá trị r2 được xác định là 0,387.10^-3 (m².K/W) Độ dày của ống truyền nhiệt được ký hiệu là δ, với δ = 2 mm = 0,001 m Hệ số dẫn nhiệt của ống, ký hiệu là λ, được tra cứu trong bảng XII.7, với ống làm bằng thép không gỉ OX18H10T, có giá trị λ = 3 W/(m.K).
Hệ số truyền nhiệt tổng quát cho quá trình cô đặc
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng t v1 ℃ 114,4
Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi t v2 ℃ 100,21
Hê số cấp nhiệt phía hơi ngưng α 1 W /(m 2 K ) 7378,31
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α 2 W /(m 2 K ) 4340,2
Bề dày ống truyền nhiệt δ m 0,002
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống λ W /(m K ) 16,3
Nhiệt trở phía hơi nước r 1 m 2 K/W 0,3448.10 -3
Nhiệt trở phía dung dịch r m 2 K/W 0,387.10 -3
Tính kích thước thiết bị cô đặc
Tính kích thước buồng bốc
Lượng hơi thứ trong buồng bốc (D b )
Trong đó: W suất lượng hơi thứ (kg/h)
h = 0,3735 kg/m 3 là khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc ở P 0 = 0,626 at (tra bảng I.251, trang 314, sổ tay 1)
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc: ω h =
D b là đường kính buồng bốc (m).
0,0000124 D b 2 = 11,34 D b 2 (*) d là đường kính giọt lỏng (m) chọn d= 0,0003 (trang 276, [5]) à h = 0,0124.10 -3 (Pa.s) – độ nhớt động lực học của hơi thứ ở ỏp suất P o = 0,625 at, t sdm = 86,5 o C (tra bảng I.121 trang 121, [1])
Nếu 0,2 < ℜ 0,65 mm ⇒ chọn S’ = S min = 3 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [7]).
Chọn hệ số ăn mòn hoá học là C a = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).
Vật liệu được xem là bền cơ học nên C b = C c = 0.
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C 0 = 0,22 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [2]).
⇒ Hệ số bổ sung bề dày là:
C = C a + C b + C c + C 0 = 1 + 0 + 0 + 0,22 = 1,22 mm ⇒ Bề dày thực là:
Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:
D t = 1000 6−1 = 0,005 < 0,1 (thỏa). Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
1000+(6−1) = 1,032 N/mm 2 > 0,135 N/mm 2 Vậy bề dày buồng đốt là 6 mm
⇒ Đường kính ngoài của buồng đốt: D n = D t + 2S = 1000 + 2.6 = 1012 mm.
Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]): d max = √ 3 D t ( S− a ) (1−k) ; mm
D t = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt.
S = 6 mm – bề dày của buồng đốt. k – hệ số bền của lỗ. k= (2,3 D t P t
So sánh: Ống dẫn hơi đốt D t = 200 mm > dmax Ống xả nước ngưng D t = 20 mm < dmax Ống xả khí không ngưng D t = 20 mm < dmax
⇒ Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân (6 mm).
Tính cho buồng bốc
6.2.1 Sơ lược về cấu tạo
Buồng bốc có đường kính trong là D b 00 mm, chiều cao H b = 2500 mm.
Thân gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 2 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.
Buồng bốc hoạt động trong điều kiện chân không cần phải chịu áp lực từ bên ngoài Với áp suất tuyệt đối thấp nhất bên trong là 0,626 at, buồng bốc sẽ phải đối mặt với áp suất bên ngoài tương ứng.
P n =P m =2 P a – P 0 =2.1 – 0,626 =1,374 at =0,1347 N /mm 2 Nhiệt độ của hơi thứ ra là t sdm (P 0 ),5 ℃ vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: t tt ,5+20 6,5 ℃
(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt).
Chọn hệ số bền mối hàn φ h = 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 t tt là:
[σ]* 0 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 ]∗¿ 0,95.1204 N /mm 2 (Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở t tt là
E = 1,99.10 5 N/mm 2 ) Chọn hệ số an toàn khi chảy là n c = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [7]).
⇒ Ứng suất chảy của vật liệu là σ c t = [σ]*.n c = 120.1,65 = 198 N/mm 2 Áp dụng công thức 5-14, trang 98,[7]:
D t = 1200 mm – đường kính trong của buồng bốc.
P n = 0,1347 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng bốc.
L = 2500 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích.
D t = 1200 mm ⇒ S min = 3 mm < 5,6 mm ⇒ chọn S’ = 5,6 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [7]).
Chọn hệ số ăn mòn hoá học là C a = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).
Vật liệu được xem là bền cơ học nên C b = C c = 0.
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C 0 = 0,5 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [2]).
⇒ Hệ số bổ sung bề dày là:
C = C a + C b + C c + C 0 = 1 + 0 + 0 + 0,5 = 1,5 mm ⇒ Bề dày thực là:
Kiểm tra bề dày buồng bốc:
Kiểm tra công thức 5-15, trang 99,[7]:
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:
So sánh P n với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [P n ] theo 5-19, trang 99,[7]:
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Xét: L = 2500 mm ≤ D = 7.900 = 6300 mm Lực nén chiều trục lên buồng bốc: (công thức 5-30, trang 103, [7])
1,99.10 5 0,0843=0,073 (công thức 5-34, trang 103, [7]) Điều kiền thỏa mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [7]):
↔ 7 ≥ 1,83 (thỏa). Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]: σ n = π ( S− P nct a )( D t + S) = 3,14.(8−1)(1200+7) 152976,27 = 5,77 N/mm 2 Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [7]:
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời của áp suất ngoài và lực nén chiều trục:
Kiểm tra điều kiện 5-47, trang 107, [7]: σ n
↔ 5,77 84,74 + 0,1347 0,161 = 0,90 ≤ 1 (thỏa) Vậy bề dày buồng bốc là 8 mm.
⇒ Đường kính ngoài của buồng bốc: D n = D t + 2S = 1200 + 2.8 = 1216 mm.
Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]) d max = √ 3 D t ( S− a ) (1−k) mm
D t = 1200 mm – đường kính trong của buồng bốc.
S = 8 mm – bề dày của buồng bốc. k – hệ số bền của lỗ. k= D t P n (2,3 [ σ ] −P n ).( S− a ) = 0,1347.1200
So sánh: Ống nhập liệu D t = 20 mm < d max
Cửa sửa chữa D t = 500 mm > d max
Kính quan sát D t = 200 mm > d max
Không cần tăng cứng cho lỗ hơi đốt vào
Tính cho đáy thiết bị
6.3.1 Sơ lược về cấu tạo
Chọn đáy nón tiêu chuẩn D t = 1000 mm. Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60 o Tra bảng XIII.21, trang 394, [2]:
Chiều cao của đáy nón, không tính phần gờ, là 906 mm và thể tích của đáy nón đạt 0,071 m³ Đáy nón được thiết kế với một lỗ để tháo liệu và một lỗ khác để gắn vòi thử sản phẩm.
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T
Chiều cao phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt H c :
- Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc.
- Tổng thể tích của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:
Với n’ = tổng số ống truyền nhiệt (n) – số ống truyền nhiệt được thay thế (n’’) n’’ = 3 4 ( b 2 -1) = 3 4 ( 5 2 -1) = 18 ống.
(b ≥ D th −4 t d n = 5 công thức V.140, trang 49,[2]) ⇒ n’ = 301 – 18 = 283 ống.
- Thể tích của phần đáy nón:
- Với đường kính trong của ống nhập liệu là 20 mm, tốc độ nhập liệu được tính lại:
- Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm: v’= V nl d nl
-Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị: τ = l+l ' v ’ = l+ V đ
Trong đó: v nl – tốc độ của dung dịch trong ống nhập liệu; m/s d nl – đường kính trong của ống nhập liệu; m
D th - đường kình trong của ống tuần hoàn; m l – chiều dài của ống truyền nhiệt; m
- Thể tích dung dịch đi vào trong thiết bị:
Khối lượng riêng của dung dịch sôi bọt trong thiết bị được ký hiệu là ρs và có đơn vị kg/m³ Tổng thể tích bao gồm phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt.
- Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là H gc = 40 mm.
⇒ Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:
⇒ Thể tích của phần hình nón cụt:
⇒ Chiều cao của chất lỏng phần hình nón cụt:
- Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:
H c – chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt; m
H gc – chiều cao của chất lỏng trong phần gờ nối với buồng đốt; m
H bđ – chiều cao của chất lỏng trong buồng đốt; m
H đ – chiều cao của chất lỏng trong đáy nón; m.
-Áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị: p tt = ρ dd g H ’22 , 72.9,81 4,106 10 −6 =0,053 N /mm 2
- Đáy có áp suất bên trong là P 0 =0,629 at nên chịu áp suất ngoài là 1,3674 at =0,1347 N /mm 2
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:
P n = p m + p tt = 0,1347 + 0,053 = 0,1877 N/mm 2 -Các thông số làm việc:
-Các thông số tính toán: l’ – chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 906 mm
D’ – đường kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, trang 133, [7]).
Trong đó: d t = 20 mm – đường kính trong bé của đáy nón (đường kính của ống tháo liệu)
P n = 0,13 N/mm 2 t t = 104,42+20 = 124,42 o C (đáy có bọc lớp cách nhiệt).
-Các thông số cần tra và chọn:
[σ]* = 120 N/mm 2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t t
(hình 1-2, trang 16, [7]) η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt) [σ] = η.[σ]* = 0,95.120 = 114 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu
E t = 2,0.10 5 N/mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở t t (bảng 2-12, trang 34, [7]) n c = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7]) σ c t = n c [σ ] ¿ =1,65.1208 N /mm 2 giới hạn chảy của vật liệu ở t t (công thức1-3, trang 13, [7])
- Chọn bề dày tính toán đáy S = 6 mm
Kiểm tra bề dày đáy:
D ' = 1041,54 906 = 0,87 Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]:
44 ≤ 0,89 ≤ 22,14 (thỏa) Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:
So sánh P n với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [P n ] theo 5-19, trang 99, [7]:
Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
P n – áp suất tác dụng lên đáy thiết bị; N/mm 2
- Lực nén chiều trục cho phép:
K c – hệ số phụ thuộc vào tỷ số 2.(S− D t a ) ,tính theo công thức trang 103,[7]
⇒ [P ]=π K c E t ¿ ¿ 3,14.0,085 2 10 5 (6−1) 2 cos 2 (30) = 1000875 N > 150306 N (thỏa) Điều kiện ổn định của đáy:
1000875 + 0,1877 0,587 = 0,47 ≤ 1 (thỏa) Vậy bề dày của đáy là 6 mm.
Để tính bền cho các lỗ, đường kính lớn nhất của lỗ cho phép mà không cần tăng cứng được xác định theo công thức (8-3), trang 162, [7]: d max = 2 [(S - S'a - 0,8) √D' (S - a) - a].
S – bề dày đáy thiết bị; mm S’ – bề dày tính toán tối thiểu của đáy; mm (chọn theo cách tính của buồngđốt)
C a – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm D’ – đường kính tính toán của đáy; mm
So sánh: Ống tháo liệu D t = 20 mm < d max
⇒ Không cần tăng cứng cho lỗ.
Tính toán cho nắp thiết bị
6.4.1 Sơ lược về cấu tạo
- Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn D t = 1200 mm.
- Nắp có gờ và chiều cao gờ là h g = 50 mm.
- Nắp có 1 lỗ để thoát hơi thứ.
- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
- Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là P o = 0,626 at nên chịu áp suất ngoài là P n = 1,374 at = 0,1347 N/mm 2
- Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là t t = 86,5 + 20 = 106,5 o C (nắp có bọc lớp cách nhiệt).
- Chọn bề dày tính toán nắp S = 8 mm.
Kiểm tra bề dày nắp:
E t =2 10 5 N / mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở t t = 106,5 o C (bảng 2-12, trang 34, [7]) σ c t ¿ 1,65.1208 N / mm 2 (giới hạn chảy của vật liệu (công thức 1-3, trang 13, [7]) Với:
[σ]* = 120 N / mm 2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t t (hình 1-2, trang16, [7]) n c = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7]) x = 0,7 với thép không gỉ. β = E t ( S− a ) +5 x R t σ c t
2.10 5 (8−1)−6,7.0,7 1200 (1−0,7 ) 198 =2,42 ứng suất nén cho phép của vật liệu làm nắp tính giống như buồng bốc (công thức 5-31, trang 103, [7])
2,42.1200 ¿ = 0,41 N /mm 2 ¿ 0,1347 N / mm 2 (thỏa) Vậy bề dày của nắp ellipse là 8 mm.
Tính bền cho các lỗ:
Vì nắp chỉ có lỗ để tháo liệu nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức (8-3), trang 162, [7]: d max = 2 [ ( S − S ' a −0,8 ) √ D ' ( S− a ) − a ]
S – bề dày đáy thiết bị; mm
(chọn theo cách tính của buồng bốc)
C a – hệ số bổ sung do ăn mòn; mm D’ – đường kính tính toán của đáy; mm
So sánh: Ống dẫn hơi thứ D t = 250 mm > d max
⇒ Cần tăng cứng cho lỗ của ống dẫn hơi thứ, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày nắp (8 mm).
Tính mặt bích
6.5.1 Sơ lược về cấu tạo
Bu lông và bích được làm từ thép CT3
Mặt bích được sử dụng để kết nối nắp thiết bị với buồng bốc, buồng bốc với buồng đốt, và buồng đốt với đáy thiết bị Lựa chọn bích liền bằng thép, kiểu 1, theo bảng XIII.27, trang 417.
Các thông số cơ bản của mặt bích:
D t là đường kính trong, mm
D là đường kính ngoài của mặt bích, mm
D b là đường kính vòng bu lông, mm
D 1 là đường kính đến vành ngoài đệm, mm
D 0 là đường kính đến vành trong đệm, mm d b là đường kính bu lông, mm
Z là số lượng bu lông, cái h là chiều dày mặt bích, mm Chọn mặt bích
6.5.2 Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,135 N/mm 2 Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,1347 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất trong thân là P y = 0,6 N/mm 2 để bích kín than Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm
6.5.3 Mặt bích nối buồng đốt và đáy:
Buồng đốt có đường kính 1000mm và được kết nối với đáy Áp suất tính toán cho buồng đốt là 0,1347 N/mm², trong khi áp suất tính toán cho đáy là 0,1877 N/mm².
Chọn dự phòng áp suất trong thân là P y = 0,6 N/mm 2 để bích kín thân Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm Mm cái mm mm
6.5.4 Mặt bích nối nắp và buồng bốc:
Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng đốt D t = 1200mm Áp suất tính toán của buồng bốc và nắp là 0,1347 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất trong thân là P y = 0,3 N/mm 2 để bích kín thân Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 420, [2] ĐÁY – BUỒNG ĐỐT
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 Mm Mm mm cái mm mm
Tính vỉ ống
6.6.1 Sơ lược về cấu tạo:
Chọn vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị Vỉ ống phải giữ chặt các ống truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất.
Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong.
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là t t =t D 9,6 ℃ Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t t là [σ ¿¿ u] ¿ 0 N / mm 2 ¿ (hình 1-2, trang 16, [7])
Chọn hệ số hiệu chỉnh η=1
Ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở t t là [ σ ]u=η [σ ]u∗¿1.120 0 N /mm2
6.6.2 Tính cho vỉ ống ở trên buồng đốt
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1’ được xác định theo công thức 8-
K= 0,3 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
D t là đường kính trong của buồng đốt, mm p 0 là áp suất tính toán ở trong ống, N/mm 2 [ σ ] u là ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở t t , N/mm 2 Chọn h 1 ’ = 10 mm
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa ống h’ được xác định theo công thức 8-48, trang 181,[7] h’= D t K √ [ σ P ] u φ 0 0
K= 0,5 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
0 là hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ.
D n = 1000mm là đường kính vỉ ống, mm
d là tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ, mm
Kiểm tra bề vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức 8-53, trang 183, [7] σ u =
Trong đó: d n = 29 mm là đường kính ngoài ống truyền nhiệt t =1,4 d n =1,4 0,029=0,0406 m là bước ống
2 0,0406=0,035m5 mm được xác định theo hình 8-14, trang 182, [7] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều.
Vậy vỉ ống trên buồng đốt dày 30mm
6.6.3 Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h 1 ’ được xác định theo công thức 7-
K= 0,3 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
D t là đường kính trong của buồng đốt, mm p 0 là áp suất tính toán ở trong ống, N/mm 2
Với ddmax = dd (27,5 %; 94,5 ℃ )= 1223,18 kg/m 3 (tra bảng I.32 trang 38[1].
Chọn h’= 20 mm [σ u ] là ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở t t , N/mm 2
Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định theo công thức 8-
K= 0,5 là hệ số được chọn (trang 181, [7])
0 là hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ.
D n = 1000mm là đường kính vỉ ống, mm
d là tổng đường kính của các lỗ được bố trí trên đường kính vỉ, mm
Kiểm tra bề vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức 8-53, trang 183, [7] σ u =
Trong đó: d n = 30mm là đường kính ngoài ống truyền nhiệt t= 1,4 d n = 1,4 0,029= 0,0406 m là bước ống
2 0,0406=0,035m5 mm được xác định theo hình 8-14, trang 182, [7] với các ống được bố trí theo đỉnh của tam giác đều.
Vậy vỉ ống trên buồng đốt dày 30mm
Khối lượng và tai treo
Khối lượng tai treo cần chịu: m = m tb + m dd
- Tổng khối lượng thép làm thiết bị: m tb = m đ +m n + m bb + m bđ + m c + m vỉ + m ống TN + m ống TH + m bích + m bu lông + m ốc
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các khối lượng thép cần thiết cho các bộ phận khác nhau của thiết bị Cụ thể, m đ là khối lượng thép làm đáy, m n là khối lượng thép làm nắp, m bb là khối lượng thép làm buồng bốc, m bđ là khối lượng thép làm buồng đốt, và m c là khối lượng thép làm phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt Ngoài ra, m ống TN là khối lượng thép làm ống truyền nhiệt, còn m ống TH là khối lượng thép làm ống tuần hoàn trung tâm Đối với thép không gỉ OX18H10T, khối lượng riêng là ρ 1 = 7900 kg/m³, trong khi đó thép CT3 có khối lượng riêng là ρ 2 = 7850 kg/m³.
Buồng đốt được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm buồng đốt:
D nbđ – đường kính ngoài của buồng đốt; m
D tbđ – đường kính trong của buồng đốt; m
H bđ – chiều cao của buồng đốt; m Khối lượng thép làm buồng đốt: m bđ =ρ 1 V bđ y00.0,057E0,3 kg
Buồng bốc được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm buồng bốc:
D nbb – đường kính ngoài của buồng bốc; m
D tbb – đường kính trong của buồng bốc; m
H bb – chiều cao của buồng đốt;
Khối lượng thép làm buồng đốt: m bb =ρ 1 V bb y00.0,0758Y9,3 kg
6.7.3 Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt
Phần hình nón cụt được chế tạo từ thép không gỉ OX18H10T, với đường kính trong lớn là 1200 mm, tương ứng với đường kính buồng bốc D tl Đường kính trong nhỏ là 1000 mm, phù hợp với đường kính buồng đốt D tn.
Bề dày của phần hình nón cụt (không tính gờ) bằng với bề dày buồng bốc S= 8 mm.
Bề dày của phần gờ nón cụt bằng với bề dày buồng đốt S = 6 mm.
Chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ) là H c = 250 mm.
Chiều cao của phần gờ nón cụt là H gc = 40 mm.
Thể tích thép làm phần hình nón cụt:
V c = 12 π [ ( D nl 2 + D nl D nn + D nn 2 ) − ( D tl 2 + D tl D tn + D tn 2 ) ] H c + π 4 D đ 2 H gc ¿ π
4 (1,012 2 – 1,0 2 ) 0,04 = 0,00687 m 3 Khối lượng thép làm phần hình nón cụt: m c =ρ 1 V c y00.0,00687T,273 kg
6.7.4 Đáy nón Đáy nón được làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Đáy nón tiêu chuẩn có góc đáy 60 o , có gờ cao 40 mm.
S = 6 mm Tra bảng XIII.21, trang 395, [2]:
⇒ Khối lượng thép làm đáy nón: m đ =1,01.87,87 kg
Nắp ellipse được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Nắp ellipse tiêu chuẩn có:
S = 8 mm, h g = 25 mm Tra bảng XIII.11, trang 384, [2]
⇒ Khối lượng thép làm nắp ellipse: m n =1,01.1067,06 kg
6.7.6 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm Ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm ống:
V ong = V ongTN + V ongTH = π [ n ' ( d n 2 −d l 2 ) + ( D nth 2 −D tth 2 ) ]
Khối lượng thép làm ống: m ố ng =ρ 1 V ố ng y00.0,14978,18 kg
Có 6 mặt bích, gồm 2 mặt nối nắp và buồng bốc, 2 mặt nối buồng bốc và buồng đốt, 2 mặt nối buồng đốt và đáy Các mặt bích phía buồng đốt có vỉ ống.
Mặt bích được làm bằng thép CT3.
Thể tích thép làm 2 mặt bích không có vỉ ống:
4 0,028 = 0,0126 m 3 Thể tích thép làm 2 mặt bích có vỉ ống:
D, Z, d b , h là những thông số của bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy.
D t – đường kính trong của buồng đốt; m d n – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; m
D nth – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm; m.
Thể tích thép làm mặt bích nối nắp và buồng bốc:
D, Z, d b , h là những thông số của bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy.
D t – đường kính trong của buồng đốt; m
⇒ Tổng thể tích thép làm mặt bích:
⇒ Khối lượng thép làm mặt bích: m bích =ρ 2 V bích x50.0,0689T0,87 kg
Bu lông và ren được làm bằng thép CT3.
Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:
D=1,7 d b =1,7.204 mm – đường kính bu lông.
H=0,8.d b =0,8.20 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi. h ’ =0,8.d b =0,8.20 mm – chiều cao đai ốc. h ’’=h+ 2 +2" mm – chiều cao phần lõi bu lông. h’’’ = 9 mm – kích thước phần ren trống
Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:
D = 1,7.d b = 1,7.20 = 34 mm – đường kính bu lông.
H = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi. h’ = 0,8.d b = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc. h’’ = h + 2 = 20 + 2 = 22 mm – chiều cao phần lõi bu lông. h’’’ = 9 mm – kích thước phần ren trống.
6.7.9 Đai ốc Đai ốc được làm bằng thép CT3.
Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy:
H ’=0,8 d b =0,8.20 mm – chiều cao đai ốc. d t =1,4 d b =1,4.20( mm – đường kính trong của đai ốc. d n =1,15.d b =1,15.282,2 mm – đường kính ngoài của đai ốc.
4 0,016 = 0,00018 m 3 Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc:
H ’=0,8 d b =0,8.20 mm – chiều cao đai ốc. d t =1,4 d b =1,4.20( mm – đường kính trong của đai ốc. d n =1,15.d b =1,15.282,2 mm – đường kính ngoài của đai ốc.
⇒ Tổng thể tích thép làm bu lông, ren và đai ốc:
⇒ Khối lượng thép làm bu lông, ren và đai ốc: m bu lông +m đai c ố =ρ 2 ΣV x50.0,002742!,53 kg
6.7.10 Vỉ ống Được làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
Thể tích thép làm vỉ ống:
D t = 1000 mm – đường kính trong của buồng đốt. d n = 29 mm – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.
D nth = 277 mm – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm.
S = 30 mm – chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống.
4 0,03=0,032 m 3 Khối lượng thép làm vỉ ống: m vỉ = ρ 1 V vỉ y00.0,032 %5,1 kg
Chi tiết Loại thép Khối lượng (kg)
Phần hình nón cụt OX18H10T 54,27 Đáy nón OX18H10T 87,87
Nắp ellipse OX18H10T 107,06 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm
Bu long, Ren, Đai ốc CT3 21,53
Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dich trong thiết bị:
Khối lượng riêng lớn nhất của dung dịch đạt giá trị 1326 kg/m³ tại nồng độ 38% và nhiệt độ 94,5 ℃.
Thể tích dung dịch trong thiết bị:
V dd = V c + V ống TH +V ống TN +V đ
D b – đường kính trong của buồng bốc; m
D đ – đường kính trong của buồng đốt; m
H c – chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ); m
H gc – chiều cao của gờ nón cụt; m
V ốngTH – thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm; m 3
V ốngTN – thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt; m 3
V ốngTH + V ốngTN = 0,59 m 3 V đ – thể tích dung dịch trong đáy nón; m 3
⇒ V dd = 0,27 + 0,59 + 0,071 = 0,931 m 3 Khối lượng cần tăng cứng cho các bộ phận:
⇒ m ddmax = ρ ddmax V dd = 1326.0,931 = 1234,5 kg Tổng tải trọng của thiết bị:
Chọn 4 tai treo thẳng đứng, được làm bằng thép CT3.
Trọng lượng trên mỗi tai treo:
Các thông số của tai treo được chọn từ bảng XIII.36, trang 438, [2]: