HIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH ĐƯỜNG MÍA MỘT NỒI LÀM VIỆC GIÁN ĐOẠN KIỂU NỒI BUỒNG ĐỐT KIỂU TREO

Giới thiệu

Quá trình cô đặc

Xác định kích thước thiết bị

Thông số yêu cầu

- Nồng độ dung dịch đầu: x đ = 10%.

- Nồng độ dung dịch cuối: x c = 45%.

- Năng suất thiết bị: F = 2000kg/mẻ/giờ.

- Áp suất tối đa của hơi đốt: P hđ = 0,18 MPa = 1,7766at.

Cân bằng vật chất

 Chọn căn bản tính một giờ cho toàn hệ thống.

 Gọi: - F (ψ)kg/mẻ) là lượng dung dịch nhập liệu ban đầu, F = 2200 kg/mẻ.

- P (ψ)kg/mẻ) là lượng sản phẩm sau khi cô đặc.

- W (ψ)kg/mẻ) là lượng hơi thứ thoát ra từ hệ thống.

- x đ , xc (ψ)%) lần lượt là nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, xđ = 8%, xc = 32%.

- Lượng dung dịch sau khi cô đặc và hơi thứ bốc lên trong quá trình cô đặc

 Phương trình cân bằng chất khô hòa tan trong toàn hệ thống:

 Phương trình cân bằng nước trong toàn hệ thống:

Cân bằng nhiệt lượng cho toàn hệ thống

Chọn áp suất hơi đốt: Phđ = 0,1039 MPa = 1,025 at

 Áp suất tuyệt đối của hơi đốt: Phđ = 1 + 1,025 = 2,025 at

 Nhiệt hơi đốt: Thđ = 120oC (ψ)3)

Chia nồng độ dung dịch

- Tiến hành cô đặc dung dịch có nồng độ ban đầu là 8% đến khi dung dịch đạt nồng độ 32%, có thể chia thành 4 khoảng nồng độ để tính toán.

- Do lượng nhập liệu ban đầu khá lớn nên có thể tiến hành nhập liệu theo từng đợt, lần lượt như sau 50%, 25%, 15%, 10% (ψ)tính theo % lượng nguyên liệu ban đầu).

(ψ)3) Tra bảng I.250, Trang 312, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, TS Trần Xoa,

PGs TS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên, NXB KHKT Hà Nội

 Đợt 1: Nhập liệu 50% F, trong khoảng nồng độ 10% ÷ 45%

- Lượng dung dịch thêm vào:

- Lượng nước mất đi khi cô đặc đến nồng độ 25%:

- Lượng dung dịch còn lại sau khi cô đặc đến nồng độ 25%:

P1 = X đ1 X C F1 1 = 0,1.1000 0,25 = 400kg Hoặc cân bằng vật chất toàn hệ thống: F1 = W1 + P1  P1 = F1 – W1 = 600kg.

 Đợt 2: Nhập liệu tiếp 25% F, cô đặc đến nồng độ 35%

- Lượng dung dịch thêm vào:

- Lượng dung dịch trong nồi sau khi nhập liệu:

- Nồng độ dung dịch khi đó là: xđ2 = 0,1.P1 + 0,15.F2

- Lượng nước mất đi khi cô đặc đến nồng độ 35%:

- Lượng dung dịch còn lại sau khi cô đặc đến nồng độ 35%:

 Tính toán cho các đợt nhập liệu còn lại với các khoảng nồng độ, ta được kết quả sau:

Bảng 2.1 Tính toán các giá trị khi chia giai đoạn nhập liệu

Xác định áp suất và nhiệt độ

- Chọn áp suất hơi ngưng tụ là 0,87982 at.

 Áp suất hơi ngưng tụ tuyệt đối là: Pngt = 1 – 0,87982 = 0,12018 at.

 Nhiệt độ hơi ngưng tụ: Tngt = 49oC (ψ)4)

(ψ)4), (ψ)i), (ψ)ii) Tra bảng I.250, Trang312, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, TS Trần Xoa,

PGs TS Nguyễn Trọng Khuông

- Ta có: Nhiệt độ hơi thứ = Nhiệt độ hơi ngưng tụ + (ψ)1 ÷ 1,5 o C) (ψ)5)

- Suy ra, nhiệt độ hơi thứ: T ht = 49oC + 1 oC = 50oC.

- Ta được áp suất hơi thứ: P ht = 0,1258 at (ψ)6)

Xác định nhiệt tổn thất

2.6.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao

- ∆ ′ : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất thường (ψ) o C).

- f: hệ số hiệu chỉnh (ψ)vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác với áp suất thường).

- Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, có giá trị bằng nhiệt độ hơi thứ => Tm = Tht = 50oC = 323 K.

- r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc Ta có: r = 2380.10 3 J/kg (ψ)i)

 Thế vào công thức trên, ta được: f = 16,2 x 323 2

Bảng 2.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao ở các nồng độ khác nhau (8)

(ψ)5) Trang 67, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn Trọng

(ψ)6,i) Tra bảng I.250, Trang 312, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn

(ψ)7) Công thức VI.11, Trang 59, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS

(ψ)8)Tra tại website http://www.sugartech.com

2.6.3 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ∆′′ h 7

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nhiệt độ của hơi đốt và dung dịch

- T*: nhiệt độ sôi của dung dịch có giá trị lớn nhất.

- T**: nhiệt độ sôi của dung dịch ở bề mặt chất thoáng.

- Ts: nhiệt độ sôi của dung dịch.

- Tht: nhiệt độ hơi thứ.

- Tngt: nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ.

- ∆′: tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao.

- ∆′′: tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh.

- ∆′′′: tổn thất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ hơi ngưng tụ và hơi trên bề mặt.

 Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu lớp dung dịch: Ở trên mặt dung dịch thì bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất ở trên mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống Trong tính toán, thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch.

- Ptb: áp suất trung bình (ψ)N/m2).

- P’: áp suất trên bề mặt dung dịch (ψ)N/m 2 ).

- ∆P: áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống (ψ)N/m 2 ).

- h 2 : chiều cao của ống đốt (ψ)m) Chọn h2 = 1m.

- h 1 : chiều cao của lớp dung dịch kể từ miệng ống đốt đến mặt chất thoáng của dung dịch (ψ)m), điều kiện: h1 ≤ h2/2 Chọn h1 = 0,5 m.

- ρ s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (ψ)kg/m 3 ).

- ρ: khối lượng riêng của dung dịch (ψ)kg/m 3 ).

Bảng 2.3 Xác định các giá trị ρ, ρ s , ΔP,P, P tb (10)

Xtb(%) r(kg/m 3 ) Ps(kg/m 3 ) DP(N/m 2 ) DP(at) Ptb(at)

 Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh bằng hiệu số giữa nhiệt độ trung bình (ψ)Ttb) và nhiệt độ của dung dịch trên mặt thoáng (ψ)Tht).

 Từ Ptb, suy ra các giá trị Ttb và các ∆′′ tương ứng (ψ)12)

(ψ)10) Tra từ website: http://www.sugertech.com

(ψ)11) Công thức VI.13, Trang 60, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs

(ψ)12) Tra bảng I.250, Trang 312, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, TS Trần Xoa, PGs TS

Bảng 2.4 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ΔP,''

2.6.4 Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống

Thường với mỗi nồi, ∆ ′′′ = 1 ÷ 1,5℃ Vì vậy, việc chọn ∆ ′′′ sao cho phù hợp và đơn giản trong việc tính toán Chọn ∆ ′′′ = 1℃.

2.6.5 Tổn thất chung cho toàn hệ thống cô đặc

Bảng 2.5 Tổn thất chung cho toàn hệ thống cô đặc

Loại nhiệt độ Nồng độ trung bình (ψ)%)

Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi

2.7.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích

 Hiệu số nhiệt độ hữu ích (ψ)Thi) trong hệ thống cô đặc được xác định như sau:

- Công thức: ΔP,T hi = ΔP,Tch – ΣΔP, (ψ)14) = Thđ – Tngt – ΣΔP, = Thđ – (ψ)Tngt + ΣΔP,)

 ΔP,Tch = Thđ – Tngt: hiệu số nhiệt độ chung, là hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ (ψ) o C).

 ΣΔP,: tổng tổn thất nhiệt độ (ψ) o C).

2.7.2 Nhiệt độ sôi của dung dịch

 Nhiệt độ sôi của dung dịch (ψ)Ts) trong thiết bị cô đặc được xác định bằng công thức sau: Ts = Tngt + ΣΔP,

 Suy ra: ΔP,Thi = Thđ – Ts

- Nhiệt độ hơi đốt: T hđ = 120oC.

Bảng 2.6 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi

Tính toán bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt

 Cấu tạo thiết bị cô đặc gồm 2 phần chính là buồng đốt và buồng bốc Trong thiết bị này, hai bộ phận trên gắn liền nhau thành một khối.

 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát sau:

- F: diện tích bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt (ψ)m 2 ).

- Q: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (ψ)W).

- K: hệ số truyền nhiệt (ψ)W/m 2 độ).

- ΔP,T hi : hiệu số nhiệt độ hữu ích (ψ)oC).

2.8.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp được xác định theo công thức sau: Q = D.r (ψ)16)

- r: ẩn nhiệt ngưng tụ (ψ)J/kg) Với r = 2207.10 3 J/kg (ψ)17)

Hình 2.2 Hệ thống sơ đồ nhiệt

(ψ)15) Công thức 3.16, Trang 144, Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, Tập 3,

(ψ)16) Công thức VI.6a, Trang 57, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn

- D: lượng hơi đốt (ψ)hơi sống) dùng cho hệ thống (ψ)kg/h).

- I = (ψ)i + Cn.θ): hàm nhiệt của hơi đốt (ψ)J/kg), nếu hơi đốt là hơi nước bão hòa thì I = r (ψ)ẩn nhiệt ngưng tụ).

- i: hàm nhiệt của hơi thứ (ψ)J/kg), i = 2589×10 3 J/kg (ψ)18)

- Tđ, Tc: nhiệt độ sôi ban đầu và ra khỏi nồi dung dịch (ψ)0C).

- Cđ, Cc: nhiệt dung riêng ban đầu và ra khỏi nồi của dung dịch (ψ)J/kg.độ).

- Cn: nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ (ψ)J/kg.độ) Cn = 4250 J/kg.độ (ψ)19)

- Gđ, Gc: lượng dung dịch ban đầu và ra khỏi nồi (ψ)kg/h).

- θ: nhiệt độ của nước ngưng tụ, coi bằng nhiệt độ của hơi đốt (ψ) 0 C).

- W: lượng hơi thứ bốc lên (ψ)kg/h).

 Phương trình cân bằng nhiệt lượng

 Do dung dịch đầu: Gđ.Cđ.Tđ (ψ)W).

 Do sản phẩm: Gc.Cc.Tc (ψ)W).

 Do nhiệt tổn thất ra môi trường: Qtt (ψ)W).

- Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Q = D.r + Gđ.Cđ.Tđ = Gc.Cc.Tc + W.i + D.Cn θ + Qtt

 Q = D.(ψ)r – Cn θ) = Gc.Cc.Tc – Gđ.Cđ.Tđ + W.i + Qtt

 Thay vào công thức trên ta được

 Giả sử nhập liệu ở nhiệt độ sôi, khi đó: Tđ = Tc = Ts.

 Thay các số liệu vào ta tính được D.

Bảng 2.7 Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống trong các lần nhập liệu

Bảng 2.8 Nhiệt do hơi đốt cung cấp trong các lần nhập liệu

- Hệ số truyền nhiệt K được xác định bằng công thức:

2 (ψ)W/m 2 o C) , với n là số lớp tường truyền nhiệt.

1+r+1 2 , vì trong trường hợp này n = 1.

Hình 2.3 Truyền nhiệt qua chiều dày ống

 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và phía chất lỏng sôi: α 1 , α 2 (ψ)W/m 2 o C). Tổng trở nhiệt: r = r1 + ❑ λi + r2 (ψ)m 2 o C/W).

(ψ)20), (ψ)iii) Tra tại trang web www.sugertech.com

(ψ)21) Công thức V.5, Trang 3, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn Trọng Khuông.

 r1: nhiệt trở hơi nước (ψ)có lẫn dầu nhớt), r1 = 0,232×10-3 (ψ)m2.oC/W) (ψ)22)

 r2: nhiệt trở lớp cặn bẩn, r2 = 0,387×10-3 (ψ)m2.oC/W) (ψ)iii)

Bảng 2.9 Một số thông số kích thước ống truyền nhiệt (ψ)23)

Loại thép Đường kính trong (ψ)mm) Đường kính ngoài (ψ)mm) Bề dày (ψ)mm)

Suy ra, tổng trở nhiệt là:

 Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

- Đối với nước, giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng T m như sau:

Bảng 2.10 Sự phụ thuộc của hệ số A vào nhiệt độ của màng nước nước ngưng T m (ψ)25)

 r: ẩn nhiệt ngưng tụ (ψ)hơi bão hòa) (ψ)J/kg), với r = 2207.10 3 J/kg.

 ρ: khối lượng riêng của nước ngưng (ψ)kg/m 3 ).

 λ: hệ số dẫn nhiệt của nước ngưng (ψ)N.s/m 2 ).

 μ: độ nhớt của nước ngưng (ψ)N.s/m 2 ).

 H: chiều cao thẳng đứng của ống truyền nhiệt (ψ)m), với H = h2 = 1m.

 ΔTT1 : hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị (ψ)oC).

- Khi tính toán theo công thức trên, ẩn nhiệt ngưng tụ (ψ)r) lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, các thông số của nước ngưng (ψ)ρ, μ, λ) lấy theo nhiệt độ màng nước ngưng (ψ)Tm):

(ψ)22), (ψ)iv) Tra bảng V.1, Trang 4, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS

(ψ)23) Tra tại website: http://www.engineeringtoolbox.com/asme-steel-pipes-sizes-d_42.html

(ψ)24) Công thức V.101, Trang 28, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs

(ψ)25) Trang 29, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn Trọng

 Tt1: nhiệt độ thành thiết bị phía tiếp xúc với hơi đốt (ψ)oC).

 Tbh: nhiệt độ hơi bão hòa (ψ)nhiệt độ hơi đốt Thđ) (ψ)oC).

 Giả sử các giá trị ∆T1 ứng với các nồng độ, ta sẽ tính được α1.

 Tính hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi

- Khi cần tính toán gần đúng hệ số cấp nhiệt khi sôi cho dung dịch hay một chất lỏng bất kì, ta có thể áp dụng công thức sau: α 2 = ψ α n (ψ)26)

- Với hệ số hiệu, chỉnh y = (λi dd λi n )

- Trong đó: λ, ρ, C, μ lần lượt là hệ số dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương ứng với nhiệt độ sôi của dung dịch, chỉ số“dd” biểu thị dung dịch, chỉ số

Bảng 2.11 Các thông số λ n , ρ n , C n , μ n của nước theo nhiệt độ sôi của dung dịch (ψ)28)

Nồng độ trung bình (ψ)%) Ts (ψ)oC) λn

Bảng 2.12 Các thông số λ dd , ρ dd , C dd , μ dd theo nhiệt độ sôi của dung dịch đường (ψ)29)

Cdd (ψ)J/kg.độ) 3825 3652 3515 3516 ρdd (ψ)kg/m3) 1071,9 1109,4 1140,6 1167,6 μdd (ψ)Pa.s) 0,000764 0,001046 0,001394 0,001812 λdd (ψ)W/m.oC) 0,282607251 0,254216996 0,231857816 0,213252773

- Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch  dd được tính theo công thức.

 T: nhiệt độ sôi của dung dịch (ψ)K).

 % H2O: % của nước trong dung dịch.

(ψ)26) Công thức 1.70, Trang 44, Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, Tập 3, Phạm

(ψ)29) Tra tại website http://www.sugartech.com

Bảng 2.13 Hệ số hiệu chỉnh (ψ)) theo nồng độ trung bình

P: áp suất làm việc (ψ)at), với P = Pht = 0,1258 at q1: nhiệt tải riêng của hơi nước cung cấp cho thành thiết bị (ψ)W/m2)

 Nhiệt tải riêng của hơi đốt cung cấp cho thành thiết bị

Công thức: q 1 = α 1 ∆T 1 = α 1 (T hđ − T t1 ) (ψ)W/m2) (ψ)31) Trong đó: α 1 : hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ (ψ)W/m 2 độ)

△T1: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi nước và thành thiết bị tiếp xúc với hơi đốt (ψ)bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt) (ψ) o C).

 Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi:

Công thức: q2 = α2 ∆T2 Trong đó: α2: hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch (ψ)W/m 2 độ).

∆T2: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ của thành thiết bị phía tiếp xúc với nhiệt độ sôi của dung dịch (ψ) o C).

 Để đảm bảo truyền nhiệt là ổn định thì q1 và q2 phải gần bằng nhau, do đó ta phải chọn ∆T2 sao cho: η q 1 − q 2

 Tính hệ số truyền nhiệt K

- Từ giá trị T t1 , tra giá trị của A tại bảng 2.10.

(ψ)31) Công thức trang 43, Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, Tập 3, Phạm Xuân

- Ta có: r = 2207 kJ/kg; H = 1 m và Σr = 6,9.10 -4 m 2 o C/W.

- Ta có: ΔP,T 2 = Tt1 – q1.Σr – Ts (ψ)oC).

Bảng 2.14 Tính toán hệ số truyền nhiệt cho các nồng độ tương ứng

 Diện tích mặt truyền nhiệt F

- Bề mặt truyền nhiệt F được tính theo công thức: F = Q

 Q: Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (ψ)J).

 ΔP,Thi: Hiệu số nhiệt độ hữu ích (ψ)oC)

 τ: Thời gian truyền nhiệt (ψ)s), với Στ = 3600 s.

Bảng 2.15 Tính bề mặt truyền nhiệt F

- Chọn diện tích bề mặt truyền nhiệt:

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế:

 Chọn tích bề mặt truyền nhiệt là 21 m 2

Kích thước buồng bốc và buồng đốt

Công Thức : Ddd=√ 4 ∗ ∗ Hkgℎ Vkgℎ

- V kgh : thể tích buồng bốc (ψ)m3), với Vkgh

- H kgh : Chiều cao không gian hơi (ψ)m) = ρ h W U tt (ψ)m 3 ) (ψ)33)

- W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (ψ)kg/h), ứng với giai đoạn có lượng hơi thứ bốc lên cao nhất Ta có: W = 600 (ψ)kg/h).

- ρ h : khối lượng riêng của hơi thứ (ψ)kg/m3) tại 50oC, ρh = 0,083 kg/m3 (ψ)34)

- U tt : cường độ bốc hơi thể tích cho phép của không gian hơi (ψ)m3/m3.h) Ở áp suất 1at thì Utt = 1600 ÷ 1700 (ψ)m3/m3.h) Áp suất hơi thứ có ảnh hưởng đáng kể đến Utt Do đó, khi áp suất khác 1at thì: Utt = f.Utt(ψ)1at) (ψ)m3/m3.h) (ψ)35)

 Utt(ψ)1at): Cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi áp suất là 1at (ψ)m3/m3.h).

 f: hệ số hiệu chỉnh tương ứng với áp suất Pht Thường tại áp suất làm việc

Pht = 1 ÷ 15 at tương ứng với fp = 1,0 ÷ 0,8 Chọn fp = 0,9.

 Thể tích buồng bốc: V kgh

 Chiều cao buồng bốc: Hbb = Hkgh + h1 = 2,0 + 0,5 = 2,5 m

2.9.2.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt

- Vs: lưu lượng hơi đốt (ψ)m3/s) Với Vs = D.v’’

+ D: lượng hơi đốt trong 4 giai đoạn cô đặc, D = 0,63 kg/s.

- ω: vận tốc thích hợp của khí (ψ)hơi) hoặc dung dịch trong ống (ψ)m/s) (ψ)38)

+ Đối với chất lỏng nhớt: ω = 0,5 ÷ 1 m/s.

+ Đối với chất lỏng ít nhớt: ω = 1 ÷ 2 m/s.

+ Đối với hơi nước bão hòa: ω = 20 ÷ 40 m/s.

+ Đối với hơi quá nhiệt: ω = 30 ÷ 50 m/s.

+ Khi ở áp suất thường hoặc xấp xỉ bằng áp suất thường ω = 10 ÷ 20 m/s.

(ψ)36) Suy ra từ công thức VI.42, Trang 74, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần

Xoa, PGs TS Nguyễn Trọng Khuông

Nguyễn Trọng Khuông (ψ)38) Trang 74, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs

- Chọn dt = 154,051 mm, dng = 168,275 mm, δ = 7,112 mm (ψ)39) 2.9.2.2 Xác định số ống truyền nhiệt

- F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt (ψ)m 2 ) Tính toán: F = 23,85 m 2

- d: Đường kính ống truyền nhiệt (ψ)m) Do α1 > α2 nên d = dt

- Chọn dt = 35,052 mm, dng = 42,164 mm (ψ)iv)

- L: Chiều dài ống truyền nhiệt, L = h 2 = 1m.

 Số ống truyền nhiệt thực tế:

Từ Ntt chọn chuẩn tổng số ống của thiết bị là 241 ống (ψ)41)

Và chọn số ống lắp đặt là 234.

Bề mặt truyền nhiệt thực tế:

- Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:

 Ftt: Bề mặt truyền nhiệt thực tế (ψ)gồm ống dẫn hơi đốt, m2).

 Flt: Bề mặt truyền nhiệt theo lý thuyết (ψ)chưa kể ống dẫn hơi đốt, m2).

(ψ)39,iv) Tra tại trang web: http://www.engineeringtoolbox.com/asme-steel-pipes-sizes-d_42.html

(ψ)40) Công thức III-25, Trang 121, Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, TS Phan

(ψ)41) Tra bảng II-37, Trang 79, Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, TS Phan

- D bđ : Đường kính buồng đốt (ψ)m).

- d n : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (ψ)m) dn = 42,164×10-3 m.

- b: số ống trên đường chéo của hình lục giác, b = 17 (ψ)44)

Dbđ = t.(ψ)b - 1) + 4.dn = 59,03×10-3.(ψ)17 – 1) + 4×42,164×10-3 = 1,11 m. Đường kính buồng đốt: Dt = 1,11 m

2.9.2.4.Diện tích tiết diện của buồng đốt:

4 =0,97 2.9.2.5 Đường kính thân buồng đốt

 Diện tích tiết diện ngang của ống truyền nhiệt

- d = d t : Đường kính trong của ống truyền nhiệt (ψ)m).

 Diện tích tiết diện ngang của khoảng vành khăn tuần hoàn

Hình 2.4 Tiết diện ngang của khoảng vành khăn tuần hoàn

 Do buồng đốt treo, nên chọn đường tuần hoàn là khoảng vành khăn giữa buồng đốt và thân buồng đốt.

 Để sự tuần hoàn xảy ra thường người ta chọn tiết diện ngang của khoảng vành khăn tuần hoàn ngoài (ψ)fv) bằng 25 đến 30% tổng tiết diện ngang của ống gia nhiệt (ψ)FD).

 Diện tích tiết diện ngang của thân buồng đốt

 Đường kính của thân buồng đốt

2.9.2.6 Khoảng vành khăn tuần hoàn ngoài

2.10 Tính đường kính các ống dẫn

2.10.1 Nguyên tắc chung để tính đường kính các ống dẫn

- V s : Lưu lượng khí (ψ)hơi) hay dung dịch trong ống (ψ)m3/s).

- ω: vận tốc thích hợp của khí (ψ)hơi) hay dung dịch trong ống (ψ)m/s).

+ Đối với chất lỏng nhớt: ω = 0,5 ÷ 1 m/s.

+ Đối với chất lỏng ít nhớt: ω = 1 ÷ 2 m/s.

+ Đối với hơi nước bão hòa: ω = 20 ÷ 40 m/s.

+ Đối với hơi quá nhiệt: ω = 30 ÷ 50 m/s.

+ Khi ở áp suất thường hoặc xấp xỉ bằng áp suất thường ω = 10 ÷ 20 m/s.

 Với lưu lượng nguyên liệu đi vào ống: V nl = F (ψ)m/s) ρ đ

- F: Lượng dung dịch ban đầu đi vào thiết bị (ψ)kg/s) F = 1000 kg/h = 0,277 kg/s.

- ρđ: Khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ đầu (ψ)kg/m 3 ).

 Chọn chuẩn đường kính ống nhập liệu: dn(ψ)nl) = 42,164 mm, dt(ψ)nl) = 35,052 mm, δ(ψ)nl) = 3,556 mm (ψ)48)

 Với lưu lượng sản phẩm đi vào ống: V tsp

- P: Lượng dung dịch còn lại sau khi cô đặc (ψ)kg/s).

- ρ c : Khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ cuối (ψ)kg/m3).

Chọn đường kính ống tháo sản phẩm theo chuẩn: dn = 60,325 mm, δ = 3,912 mm, dt = 52,501 mm.

 Với lưu lượng của hơi thứ trong ống Vht = Wmax.v”ht (ψ)m3/s).

(ψ)47) Tra từ website: http://www.sugertech.com

(ψ)48,v,vi) Tra tại trang web: http://www.engineeringtoolbox.com/asme-steel-pipes-sizes-d_42.html

( 49 ) Tra từ website: http://www.sugertech.com

=  Chọn dn = 26,67 ờng kính ống tháo sản phẩm phụ: δ = 2,87 mm, dt = 20,93 mm (ψ)v)

- W max : Lượng hơi thứ thoát ra (ψ)kg/s), Wmax = 600 kg/h = 0,167 kg/s

- v” ht : Thể tích riêng của hơi thứ (ψ)m3/kg)

- Ở áp suất 0,1258 at, vht” = 12,054 m3/kg (ψ)50)

 Chọn chuẩn đường khính ống dẫn hơi thứ: dn(ψ)ht) = 219,075 mm, dt(ψ)ht) 202,717 mm, δ(ψ)ht) = 8,179 mm (ψ)51)

 Với lưu lượng nước ngưng trong ống: V ng

- D: lượng hơi đốt (ψ)kg/s), D = 0,63 kg/s

- ρ ng : Khối lượng riêng của hơi đốt (ψ)kg/m3).

- Ở nhiệt độ T hđ = 120oC suy ra ρng = 943,1 kg/m3 (ψ)52)

 Chọn chuẩn ống tháo nước ngưng: dn(ψ)ng) = 33,401 mm, dt(ψ)ng) = 26,645 mm, δ(ψ)ng) = 3,378mm (ψ)53)

2.10.6 Ống tháo khí không ngưng

 Với lưu lượng khí không ngưng trong ống: V sht = D max v" (ψ)m 3 /s).

- D max : lượng khí không ngưng thoát ra (ψ)kg/s), chọn Dmax = 0,24 kg/s.

- v”: thể tích riêng (ψ)m 3 /kg), với v” = 0,893 m 3 /kg (ψ)54)

(ψ)51) Tra tại trang web: http://www.engineeringtoolbox.com/asme-steel-pipes-sizes-d_42.html

- Chọn chuẩn ống tháo khí không ngưng: d n(ψ)kkn) = 8 8 , 9 mm, dt(ψ)kkn) 77,928 mm, δ(ψ)kkn) = 5,486 m (ψ)55)

Cột ngưng tụ Baromet

Giới thiệu thiết bị

3.1.1 Giới thiệu sơ lược về thiết bị ngưng tụ chân cao Baromet

- Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi hoặc khí sang trạng thái lỏng Thông thường hơi hoặc khí được ngưng tụ bằng cách làm nguội bằng nước hoặc không khí lỏng.

- Ở đây, ta xét quá trình làm nguội bằng nước theo phương pháp ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao.

- Nguyên tắc làm việc chủ yếu trong thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô là cho phun nước vào trong hơi, hơi toả ẩn nhiệt và ngưng tụ vào trong nước Khi đó, nước ngưng và nước làm nguội được dẫn chung đi một đường, còn khí không ngưng được hút ra theo một đường khác.

- Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất, thực phẩm vì có ưu điểm: năng suất cao, cấu tạo đơn giản, ít tốn năng lượng,… Tuy nhiên, phương pháp này chỉ dùng để ngưng tụ hơi nước hoặc những hơi không có giá trị kinh tế vì chất lỏng ngưng tụ sẽ lẫn nước làm nguội.

- Thiết bị gồm thân, bên trong có bố trí những tấm ngăn hình bán nguyệt trên có nhiều lổ nhỏ và có gờ chảy tràn.

- Đáy thiết bị có ống Baromet để tháo nước và chất lỏng ngưng tụ ra ngoài.

- Chiều cao ống baromet phụ thuộc vào áp suất làm việc bên trong thiết bị. Thông thường cao khoảng 11m để khi độ chân không tăng lên cao, nước ở bể chứa dưới tác dụng của áp suất khí quyển sẽ không dâng lên đến mức làm ngập thiết bị.

Hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ đi từ dưới lên, nước chảy từ trên xuống, chảy tràn qua các gờ của tấm ngăn và đồng thời có một phần chui qua các lổ của tấm ngăn Hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, còn khí không ngưng đi lên và qua thiết bị phân li Tác dụng của thiết bị phân li là để giữ lại những giọt nước đã bị khí không ngưng cuốn theo.Những hạt nước này sẽ tập trung chảy sang ống baromet Khí không ngưng khá khô được bơm chân không hút và thải ra ngoài.

Hình 3.1 Mô hình thiết bị ngưng tụ Baromet

1 Ống Baromet 2 Bể chứa 3 Cửa sửa chữa 4 Thiết bị thu hồi bọt

Tính toán thiết bị

3.2.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ

- G n : lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ (ψ)kg/s).

- W: lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ (ψ)kg/s).

- i: nhiệt lượng riêng (ψ)hàm nhiệt) của hơi ngưng (ψ)J/kg).

Với Tngt = 49oC, suy ra: i = 2587560 J/kg (ψ)57)

- T 2đ , T2c: Nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh (ψ)oC).

- Cn: Nhiệt dung riêng trung bình của nước (ψ)J/kg.độ).

Với Ttb = 32,5oC, ta có: Cn = 4178 (ψ)J/kg.độ) (ψ)58)

3.2.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ

- G n : lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ (ψ)kg/s).

- W: lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ (ψ)kg/s).

- 10 -2 ×W: Lượng không khí đi vào tháp ngưng tụ do rò rỉ (ψ)kg/s).

Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ được tính theo công thức:

- R = 288 (ψ)J/Kg.độ): hằng số khí đối với không khí.

- P: áp suất chung của hỗn hợp trong thiết bị ngưng tụ (ψ)N/m 2 ).

- P h : áp suất riêng phần của hơi nước trong thiết bị ngưng tụ (ψ)N/m2) Lấy bằng áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ của không khí (ψ)Tkk).

- T kk : Nhiệt độ của không khí (ψ)oC):

- Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô (ψ)baromet) thì nhiệt độ không khí được xác định bằng công thức thực nghiệm:

Từ Tkk = 30,5 (ψ)oC) suy ra Ph = 0,0447(ψ)at) = 4528,11 N/m2.

Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ

3.3.1 Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ baromet

 Thường người ta lấy năng suất tính toán của thiết bị ngưng tụ lớn hơn 1.5 lần năng suất thực tế của nó, khi đó đường kính trong của thiết bị được tính theo công thức:

- W: lượng hơi ngưng tụ (ψ)kg/s).

- ρ h : khối lượng riêng của hơi (ψ)kg/m3).

- ω h : tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ (ψ)m/s).

- Ta có: W = Wmax = 600kg/h = 0,167 kg/s.

- Với T ngt = 49 oC, suy ra ρh = 0,0795 kg/m3.

- Do thiết bị làm việc ở áp suất 0,1 ÷ 0,2 at nên ω h = 55 ÷ 35 m/s.

- Trong thực tế đường kính của thiết bị ngưng tụ thường khoảng từ 0,5 ÷ 2 m

(63) Trang 123, Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, TS Phan Văn Thơm

- Tấm ngăn có dạng hình viên phân để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng của tấm ngăn b có thể xác định như sau: b = D tr + 50 = 500 + 50 = 300 mm (ψ)64)

- Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ, nếu nước làm nguội là nước sạch thì lấy đường kính lỗ là 2 mm; nếu nước làm nguội là nước bẩn thì lấy đường kính lỗ là 5 mm.

- Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn: h = 40mm.

- Chiều dày tấm ngăn thường trong khoảng δ = 3 ÷ 5 mm, trong tính toán người ta thường lấy δ = 4 mm.

3.3.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ

- h tb : khoảng cách trung bình giữa các ngăn, m.

- Việc chọn khoảng cách trung bình của các tấm ngăn và chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ cần phải dựa vào mức độ đun nóng nước và thời gian nước lưu lại trong thiết bị.

- Mức độ đun nóng được xác định theo công thức: md= T Tbh −T 2 c −T 2 2 d d

 T2đ, T2c: nhiệt độ của nước nguội vào và ra khỏi thiết bị (ψ)oC)

 Tbh: nhiệt độ của hơi bão hòa ngưng tụ (ψ)oC), Tbh = Tngt = 49oC.

- Dựa vào m đ , ta xác định được:

 Khoảng cách trung bình giữa các ngăn: htb = 400 mm = 0,4 m.

- Trong thực tế hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần nên khoảng cách hợp lí giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn.

(ψ)6 4) Công thức VI.53, Trang 85, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn

(ψ)65) Công thức III-39, Trang 124, Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, TS Phan Văn Thơm

(ψ)66) Tra bảng VI.7, Trang 86, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn

Bảng 3.1 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet ứng với D tr = 500mm (ψ)67)

Các thành phần của thiết bị ngưng tụ Kích thước (ψ)mm)

Chiều dày thành thiết bị S = 5

Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị a = 1300

Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị P = 1200

Bề rộng của tấm ngăn b = 300

Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ với thiết bị thu hồi K1 = 675

Chiều cao của hệ thống thiết bị H = 4300

Chiều rộng của hệ thống thiết bị T = 1300 Đường kính thiết bị thu hồi D1 = 400

Chiều cao thiết bị thu hồi h = 1440

Khoảng cách giữa các ngăn a1 = 220 a2 = 260 a3 = 320

 Chiều cao thiết bị ngưng tụ thực tế được tính theo công thức:

 a: khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị: a = 1300 mm.

 δ: chiều dày tấm ngăn, δ = 4 mm.

 P: khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy của thiết bị, P = 1200 (ψ)mm).

 H: chiều dày của đáy nón

 h: chiều cao gờ đáy nón

 Với đường kính trong Dtr = 500 mm và   4 mm.

 Chiều cao thiết bị ngưng tụ thực tế:

(ψ)67) Tra bảng VI.8, Trang 88, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS

(ψ)68) Tra bảng XIII.21, Trang 394, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs

Thiết bị ngưng tụ baromet thường làm việc ở áp suất chân không 0,1 ÷ 0,2 at Do đó, để đảm bảo thiết bị làm việc bình thường, cần phải tháo hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng tụ ra ngoài bằng ống baromet.

- Đường kính trong của baromet được tính theo công thức sau: d ba

 Gn: Lượng nước lạnh tưới vào tháp (ψ)kg/s), Gn = 16,685 kg/s.

 W: Lượng hơi ngưng tụ (ψ)kg/s), W = 0,167 kg/s.

 ω: tốc độ của hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống baromet (ψ)m/s).

- Để phù hợp với đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, có thể chọn đường kính ống baromet là dba = 125 mm (ψ)70)

- h 1 : Chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ (ψ)m).

 Với b là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ (ψ)mmHg).

- h 2 : chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống (ψ)m). h = ω 2 (1 + λ H ba + ∑ ) (ψ)m) (ψ)73)

 Hba: toàn bộ chiều cao của ống baromet (ψ)m).

 λ: hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống, λ = f(Re) Thường lấy λ = 0,02 ÷ 0,035 Trong trường hợp này, chọn λ = 0,025.

 ω: tốc độ của hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống baromet (ψ)m/s) Chọn ω = 0,5 m/s.

 ∑: tổng trở lực cục bộ, thường lấy hệ số trở lực cục bộ khi vào ống là 1 = 0,5 và 2 = 1.

 d: đường kính trong của baromet (ψ)m), d = dba = 0,125 m.

 Mặt khác, cần có chiều cao dự trữ là 0,5 m để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường ống hơi khi áp suất khí quyển tăng Vì vậy, ta chọn Hba = 11 m.

3.3.5 Đường kính các cửa ra vào của thiết bị baromet (ψ)74)

Bảng 3.2 Kích thước đường kính các cửa ra và vào thiết bị ngưng tụ Đường kính các cửa ra và vào Kích thước (ψ)mm)

Hỗn hợp khí và hơi ra d3 = 80

Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d5 = 80

Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi d6 = 50

Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet d7 = 50 mm

Hình 3.2 Cấu tạo thiết bị ngưng tụ chân cao baromet hb Hng

Tính toán cơ khí

Bề dày buồng đốt

PHẦN 4 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

- Thân hình trụ là một bộ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị hóa chất Ở đây ta chọn loại thân hình trụ hàn (ψ)thường dùng với thiết bị làm việc ở áp suất thấp hoặc trung bình), vật liệu là thép bền, không rỉ và chịu nhiệt.

- Chiều dày thân hình trụ hàn được xác định theo công thức sau:

 Dt: đường kính trong buồng đốt (ψ)m) Dt = 1,11m.

 φ: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc.

 C: hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (ψ)m).

 P: áp suất trong thiết bị (ψ)N/m 2 ).

 [σ]: Ứng suất của vật liệu (ψ)N/m 2 ).

 Áp suất trong của thiết bị (ψ)P): Nếu môi trường là hốn hợp lỏng – hơi thì áp suất làm việc bằng tổng áp suất hơi Phđ và áp suất thủy tĩnh P1

 ρ1: khối lượng riêng của chất lỏng (ψ)kg/m3), ρ1 = 983,34 kg/m3.

 H1: Chiều cao của cột chất lỏng (ψ)m), H1 = 1,5 m.

 Ứng suất cho phép của thép, theo giới hạn bền khi kéo:

 Ứng suất cho phép của thép, theo giới hạn chảy:

(ψ)75) Công thức XIII.8, Trang 360, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs

(ψ)77,vii) Công thức XIII.1, XIII.2, Trang 355, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần

Xoa, PGs TS Nguyễn Trọng Khuông h

 Với: σk, σc: ứng suất cho phép theo giới hạn bền và giới hạn chảy. nk, nc: hệ số an toàn bền theo giới hạn kéo và giới hạn chảy, nk = 2,6 nc = 1,5 (ψ)78)

 Thiết bị thuộc nhóm 2, loại II, η = 1 (ψ)79)

 Trong 2 giá trị trên ta lấy giá trị bé hơn để tính toán tiếp (ψ) = 160.10 6 N/m 2 )

 Hệ số bền của mối hàn φh = 0,95 (ψ)80)

P = 219652,95 160×10 6 × 0,95 = 692 > 50 Do đó, ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu của công thứ trên Khi đó, chiều dài của thân tiết bị được tính bằng công thức:

 Đại lượng bổ sung C phụ thuộc độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày được xác định: C = C1 + C2 + C3 (ψ)m) (ψ)81)

 C1: bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị (ψ)m) Đối với vật liệu bền (ψ)0,05 ÷ 0,1 mm/năm) ta có thể lấy C1 = 1 mm (ψ)tính theo thời gian làm việc từ 15 ÷ 20 năm).

 C2: đại lượng bổ sung do hao mòn Đa số các trường hợp tính toán thiết bị hóa chất có thể bỏ qua C2 (ψ)C2 = 0).

 C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu C3 = 0,8 (ψ)82)

(ψ)79) Theo bảng XIII.2, Trang 356, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs

(ψ)80) Bảng XIII.8, Trang 362, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS

(ψ)81) Công thức XIII.17, Trang 363, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs h

 Chọn S = 4 (ψ)mm) (ψ)lấy tròn S theo tiêu chuẩn các loại tấm thép).

- Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (ψ)dùng nước).

 Áp suất thử tính toán Po được xác định như sau:

 Pth: áp suất thủy lực (ψ)N/m2)

 P1: áp suất thủy tĩnh của nước (ψ)N/m2)

- Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử bằng công thức: σ = [ D t + ( S−C )] P o ≤ σ c (ψ)N/m 2 ) (ψ)85)

 Vậy ta chọn bề dày buồng đốt S = 4 mm là hợp lí.

Bề dày buồng bốc

- Đối với thiết bị thành mỏng làm việc chịu áp suất ngoài hay chân không thì thành của nó có thể bị nén vào bên trong Để tránh hiện tượng này ta cần gia công dạng hình trụ thật chính xác Thiết bị làm việc chịu áp suất ngoài ứng với điều kiện sau: 1 ≤ L ≤ 8 (ψ)86)

 L: chiều dài tính toán (ψ)chiều cao) của buồng bốc (ψ)m), L = H = 2,5 m.

 D: đường kính thiết bị (ψ)m), đối với thiết bị mà đường kính cơ sở là đường kính trong thì D = Dt = 1,8 m.

 Pn: áp suất ngoài (ψ)N/m2), Pn = Pkq = 101325 N/m2.

 ET: mô-đun đàn hồi ở nhiệt độ T của thành (ψ)T = Tht = 50oC), E50

 Vì đã thỏa 2 điều kiện trên nên ta có thể tính chiều dày buồng bốc theo công thức: S = 1,25D ( P E n t L

 Chọn chiều dày buồng bốc là 10 mm.

Nắp thiết bị

- Chọn nắp elip có gờ, vật liệu là thép không rỉ, bền và chịu nhiệt.

- Đường kính buồng bốc: D t = Dbb = 1,8m = 1800mm.

Khối lượng nắp: mnắp = 232 kg (ψ)89)

Đáy thiết bị

- Chọn đáy elip có gờ, vật liệu là thép không rỉ, bền và chịu nhiệt.

- Đường kính thân buồng đốt: D t = Dtbd = 1,2 m = 1200 mm.

- Khối lượng đáy: m đáy = 106 kg (ψ)90)

Xác định chi tiết mối ghép bích

- Mặt bích là một bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị, cũng như nối các bộ phận khác của thiết bị.

- Chọn bích liền bằng thép không rỉ, bền và chịu nhiệt để nối thiết bị.

- Chọn mặt bích kiểu 1 để nối thân thiết bị với nắp và đáy Dựa vào áp suất làm việc và đường kính trong của thiết bị, ứng với kích thước buồng đốt, buồng bốc, chọn kích thước mặt bích như sau: Áp suất hơi đốt: P = 2,025 at = 205183,1 N/m 2

Chọn áp suất làm việc của thiết bị: P = 0,1×10 6 N/m 2

Bảng 4.1 Xác định chi tiết mối ghép bích (91) Áp suất làm việc

TS Nguyễn Trọng Khuông hBh

- Db: đường kính giữa 2 bulông đối xứng nhau (ψ)mm).

- Dt: Đường kính vòng đệm (ψ)mm).

- Do: đường kính phôi (ψ)mm).

Bề dày vĩ ống

- Buồng đốt có 2 vĩ ống, chọn vật liệu làm vĩ ống là thép bền, không rỉ và chịu nhiệt.

- Chọn phương pháp gắn ống truyền nhiệt vào vĩ ống bằng phương pháp nong ống.

- Để đảm bảo tính chắc chắn của mối nong thì bề dày tối thiểu tính theo công thức:

- Để giữ nguyên hình dạng của vĩ ống sau khi nong, cần đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi hai thành lỗ gần nhất là fm phải lớn hơn fmin (ψ)tiết diện nhỏ nhất cho phép). f m = S v (t − d v ) ≥ f min

 fmin phụ thuộc vào đường kính ngoài của ống theo công thức: f min = 5d v

 dv: đường kính lỗ vĩ ống (ψ)mm), dv = dn + 1 = 42,164 + 1 = 43,164 mm.

 Chọn bề dày vĩ ống Sv = 14 mm

Khối lượng của các bộ phận thiết bị

4.7.1.1 Khối lượng thân buồng đốt

- d t : đường kính trong thân buồng đốt (ψ)m), dt = 1,2 m

- d ng : đường kính ngoài của thân buồng đốt (ψ)m) dng = dt + 2.S = 1,2 +2×4×10-3 = 1,208 m

- ρ: khối lượng riêng của thép (ψ)kg/m 3 ), ρ = 7850 kg/m 3 (ψ)92)

- H: chiều cao của thân buồng đốt (ψ)m), H = 1 m. m = π × [( 1,208 )2 − ( 1,2 )2] × 1 × 7850 = 118,7 kg tbđ 2 2

4.7.1.2 Khối lượng ống dẫn hơi đốt và ống truyền nhiệt m o = m 1 + m 2 (ψ)kg) m = n π [( d n )2 − ( d t )2] H ρ (ψ)kg)

- m o : khối lượng ống dẫn hơi đốt và ống truyền nhiệt (ψ)kg).

- m 1 : khối lượng ống truyền nhiệt (ψ)kg).

- m 2 : khối lượng ống dẫn hơi đốt (ψ)kg).

- n: số lượng ống truyền nhiệt, n = 191 ống.

- H: chiều cao ống truyền nhiệt (ψ)m), H = 1 m.

- ρ: khối lượng riêng của thép (ψ)kg/m 3 ), ρ = 7850 (ψ)kg/m 3 ).

- d n : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (ψ)m), dng = 42,164×10-3 m.

- d t : đường kính trong của ống truyền nhiệt (ψ)m), dt = 35,052×10-3 m.

- d ng : đường kính ngoài của ống dẫn hơi đốt (ψ)m), dng = 168,275×10-3 m.

- d hđ : đường kính trong của ống dẫn hơi đốt (ψ)m), dhd = 154,051×10-3 m.

(ψ)92) Tra bảng XIII.7, Trang 313, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, TS Trần Xoa, PGs TS Nguyễn Trọng

4.7.1.3 Khối lượng đáy hình elip có gờ

- Đường kính trong buồng đốt: Dt = 1100 mm.

4.7.1.4 Khối lượng dung dịch trong buồng đốt mdd = 1000 kg, tức là lượng nhập liệu lớn nhất trong 4 giai đoạn.

4.7.1.5 Khối lượng của 2 vĩ ống ở buồng đốt

- D v : đường kính vĩ ống (ψ)m), Dv = 1,11 m.

- S v : Bề dày vĩ ống (ψ)m), Sv = 0,014 m.

- d ng : đường kính ngoài ống truyền nhiệt (ψ)m), dn = 42,164×10-3 m.

- S d : bề dày ống truyền nhiệt (ψ)m), Sd = 3,556×10-3 m.

- n: tổng số ống truyền nhiệt, n = 234 ống.

- ρ: khối lượng riêng của vật liệu làm vĩ ống (ψ)kg/m 3 ), ρ = 7850 kg/m 3

- d ng : đường kính ngoài của ống dẫn hơi đốt (ψ)m), dng = 168,275×10-3 m.

- S th : bề dày ống dẫn hơi đốt (ψ)m), Sth = 7,112 ×10-3 m. m v = 2 × [(

- Nhiệt độ ngưng tụ: T ngt = Thđ = 120oC.

- Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ ngưng tụ: ρ n = 943,1 kg/m3 (ψ)94)

- Đường kính trong buồng đốt: D t = 1,11 m => r = 0,557 m

- Thể tích hình trụ: Vtrụ = π.r2.h = π×0,5572×0,1 = 0,097 (ψ)m3)

- Khối lượng nước ngưng tụ: m ng = Vtrụ.ρn = 0,097×943,1 = 91,7 (ψ)kg)

4.7.1.7 Khối lượng của buồng đốt là: mbđ = mtbđ + mo + mđáy + mdd + mv + mng

4.7.2.1 Khối lượng thân buồng bốc

- dt: đường kính trong thân buồng bốc (ψ)m), dt = 1,8 m.

- dn: đường kính ngoài thân buồng bốc (ψ)m) dn = dt + 2.S = 1,8 + 2×10×10-3 = 1,82(ψ)m)

- ρ: khối lượng riêng của thép (ψ)kg/m 3 ), ρ = 7850 kg/m 3 (ψ)95)

- H: Chiều cao thân buồng bốc (ψ)m), H = 2,5 m.

4.7.2.2 Khối lượng nắp buồng bốc

- Dựa vào đường kính buồng bốc D bb = 1,8 m.

- Chọn nắp elip có độ dày: δ = 8 mm.

- Khi đó, khối lượng nắp: m nắp = 232 kg (ψ)96)

- Nhiệt độ hơi thứ: T ht = 50oC suy ra ρ = 0,083 kg/m3 (ψ)97)

- Không gian bốc hơi: h = H kgh = 2 m

- Đường kính buồng bốc: D bb = 1,8 m => r = 0,9 m

- Thể tích không gian hơi: V = π.r 2 h = π×0,9 2 ×2 = 5,09 (ψ)m 2 )

- Khối lượng hơi thứ: m ht = V.ρ = 5,09×0,083 = 0,4 (ψ)kg)

4.7.2.4 Khối lượng buồng bốc: mbb = mtbb + mnắp + mht = 1115,4 kg + 232 kg + 0,4kg = 1347,8 kg

4.7.3 Khối lượng toàn thiết bị

M = mbđ + mbb = 2234,3 kg + 1347,8 kg = 3582,1kg

- Trọng lực cực đại của thiết bị:

- Tải trọng cho phép tác dụng lên một tai treo:

- Chọn bề mặt đỡ bê tông, tải trọng riêng trung bình lên bề mặt đỡ là: q

Bảng 4.2 Chọn loại tai treo buồng đốt thẳng đứng có kích thước (99)

Tải trọng cho phép trên 1 tai treo (ψ)N) 1×10 4

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q, N/m 2 1,12×10 6

Khối lượng một tai treo (ψ)Kg) 2

Một số chi tiết khác

4.8.1 Chọn cửa vào vệ sinh và cửa sửa chữa

- Cửa có đường kính 600mm.

- Tại các ống dẫn chọn bulông M20 (ψ)TCVN), 20 cái.

- Bulông ghép nắp vào thân M20: 40 cái.

- Bulông ghép đáy vào thân M20: 32 cái.

Lắp ghép vào thiết bị 8 kính thủy tinh dày 10 mm, có đường kính 200 mm Đặt kính ở giữa hai mặt bích, mỗi kính dùng 8 vít kiểu M10 để ghép vào thân thiết bị Để đảm bảo kín, giữa hai mặt bích và kính có lớp đệm amiăng dày 3 mm.

- Vật liệu làm đệm phải mềm hơn vật liệu làm bích.

- Khi siết bulông đệm bị biến dạng Chọn đệm phụ thuộc nhiệt độ, ánh sáng và tính chất của môi trường.

- Đệm cần đảm bảo đủ độ dẻo, dễ bị biến dạng khi nén, trong thời gian làm việc độ dẻo không bị biến dạng, bền đối với môi trường ăn mòn.

- Chọn đệm bằng carton amiăng phẳng, có chiều dày S = 3 mm.

4.8.4 Nồi cô đặc làm việc ở nhiệt độ cao

- Để đảm bảo cho công nhân làm việc không bị mệt, ngột ngạt và nóng thì ta phải dùng chiết cách nhiệt là amiăng vải hoặc amiăng sợi có hệ số dẫn nhiệt rất thấp Hệ số dẫn nhiệt của chúng là: λ = 0,279 W/m.độ và λ = 0,1115 W/m.độ.

- Do đó, ta có thể làm lớp cách nhiệt với chiều dày khoảng 100mm, để có thể giữ nhiệt xung quanh không lớn hơn 40 o C.

Tổng kết kích thước các thiết bị tính toán

THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC (MM) Đường kính buồng bốc 1800

Chiều cao buồng bốc 2500 Đường kính ống dẫn hơi đốt (ψ)ngoài/trong) 168,275 / 154,051 Đường kính buồng đốt 1110 Đường kính thân buồng đốt 1200

Khoảng vành khăn tuần hoàn 50 Đường kính ống nhập liệu (ψ)ngoài/trong) 42,164 / 35,052 Đường kính ống tháo sản phẩm (ψ)ngoài/trong) 21,336 / 15,798 Đường kính ống dẫn hơi thứ (ψ)ngoài/trong) 219,075 / 202,717 Đường kính ống tháo nước ngưng (ψ)ngoài/trong) 33,401 / 26,645 Đường kính ống tháo khí không ngưng (ψ)ngoài/trong) 88,9 / 77,928 Đường kính ống truyền nhiệt (ψ)ngoài/trong) 42,164 / 35,052

THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET Đường kính trong của thiết bị 500

Chiều rộng tấm ngăn hình viên phân 300

Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn 40 Đường kính lỗ trên tấm ngăn 5

Chiều cao thiết bị ngưng tụ 3000 / 3809 Đường kính ống baromet 125

Chiều dày gờ (ψ)đáy, nắp) 8

Chiều cao gờ (ψ)đáy, nắp) 25

DIỆN TÍCH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT

Diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế 25,28m 2

Số ống truyền nhiệt thực tế 230

Số ống truyền nhiệt chuẩn 241

Số ống truyền nhiệt lắp đặt 234

Bảng 5.2 Kích thước thiết bị ngưng tụ Baromet