Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 11520 kg/h, nồng
Giới thiệu chung về quá trình cô đặc
Quá trình cô đặc
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi, với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan
- Tách chất rắn hoà tan ở dạng tinh thể (kết tinh)
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất ( cất nước)
Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hoá hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu hơi thứ sử dụng ngoài dây truyền cô đặc gọi là hơi phụ
Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dung khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dung hơi nước bão hoà để đốt nóng.
Các phương pháp cô đặc
Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất, trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục Trong hệ thống nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không
Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc
Cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở ; còn làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không(áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân huỷ bởi nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt
Cô đặc áp suất cao là phương pháp sử dụng áp suất cao hơn áp suất khí quyển để cô đặc dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như dung dịch muối vô cơ Phương pháp này cho phép sử dụng hơi nước để cô đặc và đun nóng các dung dịch.
Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế.
Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được đưa vào nồi thứ 2 để làm hơi đốt, hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm hơi đốt cho nồi thứ 3… Hơi thứ ở nồi cuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốc hơi
Hệ thống cô đặc xuôi chiều được ưa chuộng sử dụng vì tính ưu việt Điểm nổi bật của hệ thống này là dung dịch có khả năng tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau, nguyên nhân là do sự chênh lệch áp suất giữa các nồi cô đặc.
Nhược điểm là nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
Giới thiệu về NaCl
Natri clorua hay còn gọi là muối ăn, muối mỏ, là hợp chất hóa học với công thức hóa học là NaCl Natri clorua là muối chủ yếu tạo ra độ mặn trong các đại dương và của chất lỏng ngoại bào của nhiều cơ thể đa bào Là thành phần chính trong muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực phẩm Natri clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương Có điểm nóng chảy là 801độ C Tỷ trọng là 2,16 g/cm3 Độ hòa tan trong nước khoảng 35,9 g / 100 ml ở 25 độ C Ngày nay, muối NaCl được sản xuất bằng cách cho bay hơi nước biển hay nước muối từ các nguồn khác, chẳng hạn các giếng nước muối và hồ muối và bằng khai thác muối mỏ NaCl có rất nhiều ứng dụng trong thực tế Trong gia đình được sử dụng như một gia vị không thể thiếu Trong y dược còn dùng để sát trùng vết thương, cầm máu các vết thương ngoài da Trong công nghiệp hóa chất lượng muối tiêu thụ hàng năm chiếm 80 % sản lượng muối trên thế giới.
Sơ đồ và mô tả dây chuyền công nghệ
1 Thùng chứa dung dịch đầu
2 Bơm đẩy dung dịch đầu lên thùng cao vị
3 Bơm đẩy dung dịch cuối vào thùng chứa sản phẩm
4 Thùng cao vị chứa dung dịch đầu
6 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
9 Hệ thiết bị ngưng tụ chân cao baromet
13 Thiết bị trao đổi nhiệt
Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục
Dung dịch được chứa trong thùng chứa (1) được bơm (3) đứa lên thùng cao vị có chảy tràn để ổn định lưu lượng Lưu lượng kế (6) điều chỉnh lưu lượng cần thiết của dung dịch vào thiết bị gia nhiệt đầu Thiết bị gia nhiệt đầu (4) gia nhiệt dung dịch tới nhiệt độ sôi của dung dịch Sau đó được đưa vào nồi cô đặc 1 (5) Dung dịch sau nồi 1 đạt nồng độ x1 sẽ sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất Sau nồi
2 dung dịch đạt nồng độ cuối và sẽ được làm lạnh bằng thiết bị làm lạnh (13) sau đó được bơm (16) đẩy vào thùng chứa sản phẩm cuối (14)
Do nồi 1 có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 2, hơi thứ ở nồi 1 được sử dụng làm hơi đốt cho nồi 2 Nhờ sự chênh lệch áp suất mà hơi thứ từ nồi 2 được đưa vào thiết bị ngưng Baromet, ngưng tụ từ thể hơi sang thể lỏng và tự chảy xuống thùng chứa nước ngưng (18) Trong khi đó, khí không ngưng có lẫn bọt được tách bọt riêng biệt và chảy xuống thùng chứa, còn khí không ngưng thì được bơm ra ngoài bằng bơm hút chân không (19).
Tính toán thiết bị chính
Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống
Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi hơi
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: W1, [kg/h]
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: W2, [kg/h]
- Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là: W1:W2 = 1:1,04
Nồng độ dung dịch trong mỗi nồi
Theo công thức: xi = Gd x d
Ta được x2 = xc : phù hợp với số liệu ban đầu.
Chênh lệch áp suất chung của hệ thống: ∆p
Chênh lệch áp suất nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi
Gọi ∆pi là chênh lệch áp suất trong nồi thứ i [at]
Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là: ∆p1 : ∆p2 = 2,32:1
Tính áp suất hơi đốt từng nồi suy ra nhiệt độ hơi đốt:
Theo công thức: pi = pi-1 -∆pi-1
Tra bảng I.251 [1-315] kết hợp nội suy ta có:
• Nồi 1: với p1 = 5 at ta được:
• Nồi 1: với p2 = 1,65 [at] ta được
• Với png = 0,2 (at) ta có Tng = 59,7 °C.
Tính nhiệt độ ( t’ i ) và áp suất hơi thứ ( p’ i ) ra khỏi từng nồi
- Δi’’’: Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống
- ti’: Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i, °C
Theo công thức ta có:
+ Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là t1’ = T2 + Δ1’’’ = 113,6 + 1 = 114,6°C
+ Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là t2’ = Tng + Δ2’’’ = 59,7 + 1 = 60,7 °C
Tương ứng với nhiệt độ tính được xác định hơi thứ mỗi nồi
Tra bảng I.250 Tính chất hóa lí của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ - Sổ tay hóa công Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 [3-314], [3-315] kết hợp nội suy ta có:
− Áp suất hơi thứ: p1ꞌ = 1,71 [at]
− Áp suất hơi thứ: p2’ = 0,21 [at]
Bảng tổng hợp số liệu 1:
Hơi đốt Hơi thứ x, % p, at T, °C i, J/kg r, J/kg p, at t’, °C i’, J/kg r’, J/kg
Tính tổn thất nhiệt độ trong từng nồi
7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆i”
Công thức tính: Δi’’ = ttbi – ti’ (°C)
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc được tính dựa trên công thức: ptbi - pi' = ttbi - ti' Trong đó, ptbi là nhiệt độ sôi ứng với áp suất thủy tĩnh ban đầu, pi' là nhiệt độ sôi ứng với áp suất thủy tĩnh mong muốn, ttbi là nhiệt độ sôi ứng với áp suất thủy tĩnh ban đầu, và ti' là nhiệt độ sôi ứng với áp suất thủy tĩnh mong muốn.
− pi’: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, at
− h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch Chọn h1 = 0,5m
− H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 3 m
− ρdds: Khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ t , [kg/m 3 ];𝜌 𝑑𝑑𝑠 = ρsi
Tra bảng I.57 [3-45] Khối lượng riêng của dung dịch NaCl – nước ở các nhiệt độ khác nhau và nội suy với t = 114,6 °C và x1 = 8,05% có ρs1 = 1054,12 kg/m 3 ( ở 25 độ C )
Tra bảng I.251 [3-314] và nội suy với ptb1 = 1,44 [at] ta có ttb1 = 109,5°C
Tra bảng I.57 [3-45] Khối lượng riêng của dung dịch NaCl – nước và nội suy với t = 60,7°C và x2 = 22% có ρs2 = 1161,55 kg/m 3
9,81×10 4 ] = 0,33 (at) Tra bảng I.251 [3-314] và nội suy với ptb2 = 0,33 at ta có ttb2 = 70,71°C
7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆iꞌ:
- Δ0i’: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở nồng độ nhất định và áp suất khí quyển
- r: Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, [ J/kg]
- tsi: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, [ °K]
Tra bảng VI.2 [4-61] và nội suy với nồng độ dung dịch NaCl là x1= 8,05% ta được Δ01’ = 1,49 °C
Tra bảng VI.2 [4-61] và ngoại suy với nồng độ dung dịch NaCl là x2 = 22% ta được ∆ꞌ02 = 5,6 [ o C]
7.3 Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống:
Tính hệ số nhiệt độ hữu ích của hệ thống
8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:
8.2 Nhiệt độ sôi trong mỗi nồi t si = ti’ + ∆ 𝑖 ′ +∆ 𝑖 ′′
8.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi
Ta có: ∆Ti = Ti – tsi
Bảng tổng hợp số liệu 2:
Lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng hơi thứ W i ở từng nồi
Gđ : Lượng dung dịch đầu đưa vào cô đặc ( kg/h)
D : Lượng hơi đốt nồi 1( kg/h)
C0, C1, C2 : Nhiệt dung riêng của dung dịch cho vào nồi 1, 2 và ra khỏi nồi 2 (J/kg.độ) i1, i2 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt đi vào nồi 1,2 ( J/kg) i1’, i2’ : Nhiệt lượng riêng của hơi thứ đi ra khỏi nồi 1,2 (J/kg)
Cng : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) ts0, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1,2 ( o C)
𝜃1, 𝜃2 : Nhiệt độ nước ngưng nồi 1,2 ( o C)
Qm1, Qm2 : Nhiệt độ mất mát ở nồi 1,2 (bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn để bốc hơi ở từng nồi) (J/h)
W1, W2 : Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1,2.(kg/h)
9.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch NaCl:
Theo công thức I.43 Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 152: Đối với dung dịch loãng (nồng độ chất hòa tan không quá 20%):
CA86.(1-x), [J/kg.độ] (9-1) Trong đó: x: Nồng độ chất hòa tan (phần khối lượng)
+ Dung dịch ban đầu có xđ = 5% nên ta có:
+ Dung dịch ra khỏi nồi có x1 = 8,05% nên ta có:
+Với dung dịch đặc (x>20%) nhiệt dung riêng tính theo công thức I.44 [3-152]:
Cht: Nhiệt dung riêng chất hòa tan khan không có nước [J/Kg.độ]
Theo công thức I.41[3-152] Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ta có:
Trong đó: M: Khối lượng mol hợp chất n1, n2,…, nn:Số nguyên tử của nguyên tố trong hợp chất c1, c2,…, cn:Nhiệt dung riêng của các nguyên tố tương ứng[J/Kg.độ]
Dung dịch NaCl có MNaCl = 58,5, n1 = 1, n2 = 1
Tra bảng I.141[3-152] Nhiệt dung riêng nguyên tử các nguyên tố [J/Kg nguyên tử.độ] Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
Na: c1 = 26000 (J/Kg nguyên tử.độ) Cl: c2 &000 (J/Kg nguyên tử.độ)
58,5 = 888,9 (J/Kg.độ) +Dung dịch ra khỏi nồi 2 có x2 = 22% nên ta có:
9.2 Các thông số của nước ngưng:
• Nhiệt độ nước ngưng đi ra khỏi thiết bị bằng nhiệt độ hơi đốt đi vào:
𝜃2 = T2 = 113,6 (°C) Tra bảng I.249 [3-310] và nội suy với
9.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:
− Do dung dịch đầu: Gd.C0.ts0
− Do sản phẩm mang ra: (Gd – W1).C1.ts1
− Do tổn thất Qm1 = 0,05.(i1 – Cnc1θ1)
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:
D.i1 + Gđ.C0.ts0 = W1.i1’ + (Gđ–W1).C1.ts1 + D.Cnc1 𝜃1 + Qm1
− Do dung dịch từ nồi 1: (Gd – W1).C1.ts1
− Do sản phẩm mang ra: (Gđ – W1 - W2).C2.ts2
− Do tổn thất Qm2 = 0,05W1.(i2 – Cnc2.θ2)
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 2:
W1.i1 + (Gđ – W1).C1.ts1 = W2.i2’ + (G đ – W1- W2)C2.ts2 + W1.Cnc2 𝜃2 + Qm2
Kết hợp phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1 và nồi 2 với phương trình
W1 + W2 = W ta có hệ phương trình
Giải hệ phương trình này ta được:
𝑊 2 = 𝑊 − 𝑊 1 Thay số và giải hệ ta được:
ℎ ] Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi giữa các nồi trong hệ: W1 : W2 = 1 : 1,04
Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận được giả thiết
Bảng tổng hợp số liệu 3:
W, [kg/h] Sai số, Giả thiết Tính %
Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi
10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi
Chọn ống truyền nhiệt có đường kính: 38×2 [mm]
Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt:
Nồi 2 là : ∆t12 = 4,12 [ o C] Điều kiện làm việc: Trong phòng đốt thẳng đứng H=3m; hơi ngưng bên ngoài ống, màng nước ngưng chảy dòng nên hệ số cấp nhiệt tính theo công thức: αi = 2,04.Ai.( 𝑟 𝑖
Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm
Nhiệt độ màng tính theo công thức: tmi = Ti - ∆𝑡 1𝑖
Tra bảng A-t [4-28] và nội suy ta có:
10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
Gọi q1i : Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i
Bảng tổng hợp số liệu 4:
10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α 2i từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi:
• Dung dịch sôi ở chế độ sủi bọt, có đối lưu tự nhiên Hệ số cấp nhiệt xác định theo công thức: α2i = 45,3.(pi’) 0,5 Δt2i 2,33.ψi [W/m 2 độ]
− pi : Áp suất hơi thứ ở nồi thứ i
− Δt2i : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch (°C)
− ΔtTi : Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt
• Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống truyền nhiệt:
Theo công thức (V-3), tài liệu [4-3]: Δt2i = q1i.Σr
− Σr: Tổng nhiệt trở thành ống truyền nhiệt, được tính theo công thức (V-3), tài liệu [4-3]:
− r1, r2: Nhiệt trở cặn bẩn ở 2 phía của thành ống
Tham khảo bảng V.1, tài liệu [4-4]:
Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch: r1 = 0,387.10 -3 m 2 độ
Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa: r2 = 0,232.10 -3 m 2 độ
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống lấy theo bảng XII.7, tài liệu [2-313] ta có:
− λ: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt)
− Chọn thép không gỉ X18H10T : λ = 16,7 [W/m 2 độ]
− Bề dày thành ống truyền nhiệt lấy δ = 2.10 -3 m
Thay số vào ta có:
Từ đó ta có: Δt21= ΔT1 – Δt11 – ΔtT1 = 33,13 – 3,64 – 22,49 = 7,00 (°C) Δt22 = ΔT2 – Δt12 – ΔtT2 = 38,34 – 4,12 – 24,26 = 9,96 (°C)
• Hệ số hiệu chỉnh tính theo công thức:
- λ: Hệ số dẫn nhiệt [W/m 2 độ]
- C: Nhiệt dung riêng [J/Kg.độ]
- λ, ρ, μ, C tra theo nhiệt độ của dung dịch
• Các thông số của nước
+ Tra bảng I.130 [3-133] và nội suy ta có:
+ Tra bảng I.5 [3-11] và nội suy ta có:
+ Tra bảng I.249 [3-310] và nội suy ta có:
Nồi 1: ts1 7,97°C => Cnc1 = 4244,03[J/kg.độ]
Nồi 1: ts2 = 75°C => Cnc2 = 4195,51[J/kg.độ]
+ Tra bảng I.104 và I.102 [3-96] và nội suy ta có:
• Các thông số của dung dịch:
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaOH tính theo công thức :
− A: Hệ số tỷ lệ với chất lỏng liên kết A = 3,58.10 -8
− Cdd: Nhiệt dung riêng của dung dịch
Tính toán ở bước 9 ta có:
Cdd1 = 3849,03[J/kg.độ] , Cdd2 = 3460,64 [J/kg.độ]
Khối lượng riêng của dung dịch NaCl Tra bảng I.57 [ 3-45 ] và nội suy ta có: +Nồi 1: ts1 = 117,97°C và x1 = 8,05% => ρdd1 = 1002,45 [kg/m 3 ]
+Nồi 2: ts2 = 75°C và x2 = 22% => ρdd2 = 1133,78 [kg/m 3 ]
M: Khối lượng mol của dung dịch tính theo công thức:
M = MNaCl.NNaCl + MH2O.NH2O = 58,5 × NNaCl + 18 × (1-NNaCl)
N NaCl: phần mol của NaCl trong dung dịch
Thay vào công thức ta có:
= 0,53 [W/m.độ] Độ nhớt của dung dịch tính theo công thức Pavalov:
− θ 1, θ 2: Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt bằng độ nhớt của dung dịch ở nhiệt độ t1, t2
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước
Chọn đo độ nhớt của dung dịch NaCl ở 20°C và 40°C
Tra bảng I.107 [3-100], độ nhớt của một số dung dịch hợp chất vô cơ kết hợp nội suy ta có:
Tra bảng I.102 [3-92] kết hợp nội suy ta có:
Thay vào bảng I.101 [3-91] và nội suy với θ 31 = 103,87°C ta được μdd1 0,28 10 −3 [N.s/m 2 ]
+ Nồi 2: Độ nhớt của dung dịch tính theo công thức Pavalov:
𝜃 1 −𝜃 2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 [3-85] θ 1, θ 2: Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt bằng độ nhớt của dung dịch ở nhiệt độ t1, t2
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước
Chọn đo độ nhớt của dung dịch NaCl ở 20°C và 40°C
Tra bảng I.107 [3-100] và nội suy ta có:
Tra bảng I.102 [3-92] và nội suy ta có:
Thay vào bảng I.101[3-92] và nội suy với θ 32 = 42,77°C ta được μdd2 = 0,62 10 −3 [N.s/m 2 ]
Thay các số liệu vào công thức tính hệ số hiệu chỉnh ta có:
Thay vào công thức ta có:
Bảng tổng hợp số liệu 5:
Nồi ρdd kg/m 3 ρnc kg/m 3
10.4 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch:
Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận được giả thiết Δt11 = 4,82°C; Δt12 = 4,7°C
Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi
• Tính theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:
− qtbi: Nhiệt tải riêng trung bình về phía nồi thứ i [W/m 2 ]
Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi
So sánh Δt i ’ và Δt i
38,34 100% = 5,5% < 10% Vậy ta chấp nhận giả thiết: Δp1:Δp2 = 2,32:1
Nồi Ki (W/m 2 độ) Qi (W) ΔTi (°C) ΔTi * (°C) ε (%)
Tính bề mặt truyền nhiệt F
F tính theo phương thức các bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:
Theo công thức [4-319] ta có:
𝐾 𝑖 𝛥𝑇 𝑖 ∗ (m 2 ) Thay số vào công thức trên ta có:
Tính toán thiết bị phụ
Tính thiết bị ngưng tụ baromet
Hơi thứ sau khi đi ra khỏi nồi cô đặc cuối cùng được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet để thu hồi lượng nước trong hơi, đồng thời tách khí không ngưng dung dịch mang vào hoặc do khe hở của thiết bị Hơi vào thiết bị ngưng tụ đi từ dưới lên, nước lạnh, nước ngưng tụ chảy xuống ống baromet
Chọn thiết bị ngưng tụ baromet - thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao
2 Thiết bị thu hồi bọt
5 Trong thân 1 gồm có những tấm ngăn hình bán nguyệt
Nguyên tắc hoạt động chính của thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phun nước lạnh trực tiếp vào luồng hơi, nhiệt của hơi sẽ truyền sang và làm nóng nước, sau đó hơi sẽ ngưng tụ thành nước Vì vậy, thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường được sử dụng để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị (không thể sử dụng lại) hoặc không tan trong nước Bởi nếu chất lỏng tan trong nước, nó sẽ trộn lẫn với nước làm nguội và không thể tách riêng trở lại.
Sơ đồ nguyên lí làm việc của thiết bị ngưng tụ baromet ngược chiều loại khô được mô tả như hình vẽ Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống baromet (3) để tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài Hơi vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy tử trên xuống, chảy tràn qua cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí không ngưng đi lên sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống baromet Khí không ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chân không Ống baromet thường cao H > 11 m [QTTBT3 – T106] để khi độ chân không trong thiết bị có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị
Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra mà không cần bơm nên tốn ít năng lượng, năng suất lớn
Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ baromet chân cao ngược chiều loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị trí cuối hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không
- Lượng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2 = 4524,37 (kg/h)
- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ là: Png = 0,2 (at)
- Nhiệt độ ngưng tụ tng = 59,7 °C
- Các thông số vật lí của hơi thứ ra khỏi nồi thứ 2: p2’ = 0,21 (at) ; t2’ = 60,7 °C ; i2’ = 2609600 (J/kg) ; r2’ = 2355260(J/kg)
1.1 Tính lượng nước lạnh G n cần thiết để ngưng tụ:
− i: Nhiệt lượng riêng của hơi nước ngưng ing = 2609,1 (kJ/kg) tra bảng I.252 [3-314] với pn = 0,2 (at)
− tđ, tc : Nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh Chọn tđ = 25°C ; tc = 50°C
− Cn : Nhiệt dung riêng trung bình của nước, chọn ở nhiệt độ :
2 = 37,5°C Tra bảng I.249 [1-310] và nội suy với 𝑡 𝑡𝑏 = 37,5°C ta được Cn= 4178 (J/kg độ) Thay vào công thức ta có:
1.2 Tính đường kính trong thiết bị
Với: ρh: khối lượng riêng của hơi ngưng Tra bảng I.251 [3-312] và nội suy với
Png = 0,2 (at) ta có: ρh= 0,1283 (kg/𝑚 3 ) ωh: Tốc độ hơi trong thiết bị ngưng chọn ωh = 35 (m/s)
Quy chuẩn theo bảng VI.8 [4-88] lấy Dtr = 800 (mm)
1.3 Tính kích thước tấm ngăn:
Tấm ngăn có dạng hình viên phân để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn là b, có đường kính là d
Chiều rộng tấm ngăn tính theo công thức: b = 𝐷 𝑡𝑟
Với Dtr là đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, Dtr = 800 (mm)
2 + 50 = 450 (mm) Trên tấm ngăn có nhiều lỗ nhỏ, đường kính lỗ là 2mm (nước làm nguội là nước sạch), chiều dày tấm ngăn là 4mm Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn là 40 mm
1.4 Tính tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ
− wc: tốc độ của tia nước, lấy wc = 0,62 m/s khi chiều cao của gờ tấm ngăn là 40 mm
Thay số vào ta có: f = 129959,23.10 −3
1.5 Tính bước của các lỗ:
Lỗ xếp theo hình lục giác đều bước lỗ được tính theo công thức: t = 0,866𝑑(𝑓 𝑒 /𝑓 𝑡𝑏 ) 1/2 + 𝑑 (𝑚𝑚)
− d: Đường kính của lỗ (mm), dùng nước sạch có d = 2mm
− tb f f : Tỷ số giữa tổng diện tích thiết diện các lỗ với diện tích thiết diện của thiết bị ngưng tụ Chọn tb f f = 0,05
1.6 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ:
Mức độ đun nóng thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức sau: β = 𝐭 𝐜 −𝐭 𝐝
59,7−25 = 0,72 Trong đó tbh là nhiệt độ hơi bão hòa ngưng tụ tbh = 59,7 o C
Quy chuẩn theo bảng VI.7 [4-86] lấy β = 0,727
Khoảng cách giữa các ngăn (mm)
Thời gian rơi qua một bậc (s)
Mức độ đun nóng Đường kính của tia nước (mm)
Ta có chiều cao của thiết bị ngưng tụ: H = 6.300= 1800 (mm)
Thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đó khoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên trên khoảng 50mm cho mỗi ngăn Khi đó chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ là H’ Khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 300 mm, ta chọn khoảng cách giữa hai ngăn dưới cùng là 450 mm
1.7 Tính kích thước ống baromet: Đường kính ống baromet tính theo công thức:
− 𝜔: tốc độ của hổn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, lấy 𝜔 = 0,5 (𝑚/𝑠)
1.8 Tính chiều cao ống baromet:
− h1 : là chiều cao cột nước cân bằng với hiệu số áp suất của thiết bị ngưng tụ và khí quyển, tính theo công thức h1 = 10,33 𝑝 𝑐𝑘
760 (m) với pck là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ
− h2 là chiều cao cột nước trong ống baromet, để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống, tính theo công thức h2 = 𝜔
𝑑) (m) với λ là hệ số ma sát khi nước chảy trong ống tính theo công thức của Braziut: λ = 0,3164
𝜇 với ω = 0,5 m/s Tra bảng I.249 [3-310] với ttb = 40℃ ta có: 𝜌tb = 992,2 (kg/m 3 ) và
Thay số vào ta được: Re = 0,5.0,31.992,2
Ngoài ra cần có chiều cao dự trữ 0,5m để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường dẫn hơi khí áp suất khí quyển tăng, sau quy chuẩn thì ta chọn m
1.9 Tính lượng hơi và khí không ngưng:
Lượng không khí cần hút là:
− Gn : lượng nước làm lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ, kg/s
Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ là:
Với nhiệt độ không khí tkk tính theo công thức cho thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô: tkk = td + 4 + 0,1(tc – td) [4-78]
− ph :là áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp lấy theo tkk , tra bảng I.250 [1-310], ta được ph = 0,0475at
Thay số vào ta có:
Tính bơm chân không
Công suất của bơm tính theo công thức:
− m: là chỉ số đa biến phụ thuộc vào điều kiện làm lạnh, chọn m = 1,5
Tra bảng II.58 [1-513] chọn bơm PMK-1
Công suất yêu cầu trên trục bơm 𝑁 𝑏 , 𝑘𝑊
Số vòng quay, vòng/phút
Công suất động cơ điện,
Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị đun nóng loại ống chùm, ngược chiều, dùng hơi nước bão hòa ở 6at Hơi nước đi ngoài ống từ trên xuống, hỗn hợp nguyên liệu đi trong ống từ dưới lên trên
Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng 25 °C, ra ở nhiệt độ sôi ts0 = 115,6°C
3.1 Tính nhiệt lượng trao đổi Q
- F: Lưu lượng hỗn hợp đầu F = 11520 kg/h
- tF: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tF = ts0 = 115,6°C
- Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu Cp = C0 = 3976,7 J/Kg.độ
- tf : Nhiệt độ môi trường tf = 25 °C
3.2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích
Tra bảng I.251 Tính chất lý hóa của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [3-315]: Ở áp suất 5 [at], nhiệt độ thđ = 151,1°C Δtđ = 151,1 – 25 = 126,1°C Δtc = 151,1 – 115,6 = 35,5°C
- Hơi đốt : Nhiệt độ trung bình t1tb = 151,1°C
- Hỗn hợp: Nhiệt độ trung bình t2tb = 151,1 – 71,48 = 79,62°C
3.3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ Áp dụng công thức V.101 [2-28]:
- r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa r = 2117000 [J/kg]
− ∆t1: chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt
− H: chiều cao ống truyền nhiệt Chọn H = 3 [m]
− A: hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
Giả sử: ∆t1 = 3,6 o C suy ra tm1,1 - 3,6
2 = 149,3 o C Tra hệ số A theo tm: trong bảng A-t, [2-29] và nội suy ta được: A= 195,4
3.4 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ Áp dụng công thức: q1 = α1.Δt1
3.5 Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy Áp dụng công thức V.40 [4-14]:
- Re: Chuẩn số Reynold, Re = 10000
- εk: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đường kính d của ống
Theo bảng V.2 Trị số ε1 trong công thức V.40 [4-15] được ε1=1
* Tính chuẩn số Pr: Áp dụng công thức V.35 [4-12]: 𝑃𝑟 = 𝐶 𝑝
- Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu Cp = C0 = 3976,7 J/kg.độ
- μ: Độ nhớt của hỗn hợp đầu
- θ 1, θ 2: Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt bằng độ nhớt của dung dịch ở nhiệt độ t1, t2
- Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước Chọn đo độ nhớt của dung dịch NaCl ở 20 °C và 40°C
Tra bảng I.107 [3-100] Độ nhớt của một số dung dịch hợp chất vô cơ kết hợp nội suy ta có:
Thay vào bảng I.102 & I.104[1 – 94] và nội suy với θ 3 = 71,88°C ta được μdd 0,3958.10 -3 [N.s/m 2 ]
Tra bảng I.23 [3-36] và nội suy: x = 5%, t = 71,88°C ta được ρ = 1010,3 (kg/m 3 )
Nồng độ phần mol NaCl trong dung dịch:
Có 𝑀 = 𝑁 𝑁𝑎𝐶𝑙 𝑀 𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝑁 𝐻 2 𝑂 𝑀 𝐻 2 𝑂 = 0,016.58,5 + (1 − 0,016).18 = 18,65 Theo công thức [3-123] ta có:
Chế độ chảy xoáy chọn Re = 10000
Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ thì ( 𝑃𝑟
Ta có: ΔtT = tT1 – tT2 = q1.Σr
Trong đó: r1, r2: Nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường (bên ngoài căn bản do nước ngưng, bên ngoài cặn bẩn do dung dịch)
Thay số: ΔtT = 30194,75 0,74.10 −3 = 22,3 ( °C) tT2 = tT1 - ΔtT = 151,1 – 3,6-22,3 = 125,2 (°C) Δt2 = tT2 – t2tb 5,2 – 79,62 = 45,58 (°C)
3.6 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch
Như vậy giả thiết là hợp lý
3.7 Tính bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt tính theo công thức: 𝐹 = 𝑄
3.8 Tính số ống truyền nhiệt
- F: Tổng bề mặt truyền nhiệt (m 2 )
Ta chọn đường kính ngoài của ống truyền là dn = 38 mm với bề dày là 2mm dtr: Đường kính trong ống truyền nhiệt, dtr = 38 – 2.2 = 34 (mm) = 0,034(m) Chiều cao ống truyền nhiệt l = 3m
Thay số vào ta có: 𝑛 = 38,58 π.0,038.2= 120,4 (ống) Chọn quy chuẩn n theo bảng V.11 [2 – 48] n = 127 ống
Số ống hình sáu cạnh
Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh
Tổng số ống không kề các ống trong hình viên phân
Số ống trong các hình viên phân
Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân
Tổng số ống thiết bị Ở dãy thứ nhất Ở dãy thứ hai Ở dãy thứ ba
3.9 Tính đường kính trong của thiết bị gia nhiệt Áp dụng công thức V.140 [5-49]
− dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 38 (mm)
− b: Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh, b = 13
Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [4-359]: D = 1000 m
3.10 Tính vận tốc và chia ngăn
0,1165 100% = 76,39% > 5% nên ta phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ chảy xoáy
Tính toán cơ khí
Buồng đốt
1.1 Xác định số ống trong buồng đốt
− F: Diện tích bề mặt trao dổi nhiệt (m 2 )
− Ta chọn đường kính ngoài của ống truyền nhiệt là 𝑑 𝑛 = 38mm với bề dày là 2mm
− d: Đường kính trong của ống truyền nhiệt (do 𝛼 1 > 𝛼 2 ), 𝑑 𝑡𝑟 = 38 – 2.2 34 mm
− l: Chiều cao ống truyền nhiệt, l = 3(m)
(3,14×0,034×3) = 273,12 ( ống ) Quy chuẩn theo bảng V.11 ta được n = 331 ống
Bề mặt truyền nhiệt thực:
Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh
Tổng số ống không kề các ống trong hình viên phân
Số ống trong các hình viên phân
Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân
Tổng số ống thiết bị Ở dãy thứ nhất Ở dãy thứ hai Ở dãy thứ ba
1.2 Xác định đường kính trong của buồng đốt Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều Đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức
− : Hệ số sử dụng lưới đỡ ống, trong khoảng 0,7 0.9 Chọn = 0,8
− L: Chiều dài ống truyền nhiệt, m
− dth: Đường kính ngoài của ống tuần hoàn, m
− dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m
− sin = sin60 do xếp theo hình lục giác đều, ba ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau tạo thành 1 tam giác đều, có góc đỉnh = 60
• Xác định đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm
Tổng diện tích bề mặt cắt ngang của ống truyền nhiệt được xác định theo công thức
Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 25% thiết diện của tất cả các ống truyền nhiệt
3,14 = 0,31 (𝑚) Quy chuẩn theo bảng XIII.7 [2-360] ta có dth = 325 (mm) = 0,325 (m)
• Xác định lại số ống truyền nhiệt sau khi lắp ống tuần hoàn trung tâm
Khi lắp ống tuần hoàn trung tâm vào cùng trong mạng ống truyền nhiệt, cần phải bỏ đi một số hình lục giác Vì khoảng cách bước ống t = 50 (mm) nên
Bỏ đi 4 hình lục giác tính từ vị trí trung tâm Số ống truyền nhiệt cần phải lắp thêm vào chính bằng số ống trên hình lục giác đã bỏ đi, cụ thể sẽ là 61
• Kiểm tra lại bề mặt truyền nhiệt
Tổng bề mặt truyền nhiệt sau khi lắp ống tuần hoàn trung tâm vào mạng lưới ống truyền nhiệt được xác định
− 𝐹′ 𝑡ℎ : bề mặt truyền nhiệt của ống tuần hoàn trung tâm sau khi quy chuẩn
− Chọn bề dày ống tuần hoàn trung tâm là 2mm
− 𝐹′ ố𝑛𝑔 : bề mặt truyền nhiệt của các ống truyền nhiệt còn lại sau khi lắp ống tuần hoàn trung tâm
= 298.2 (𝑚 2 ) Thay số liệu vào công thức đường kính trong của buồng đốt
= 1,01 (𝑚) Quy chuẩn theo XIII.6 [2-359] ➔ Dtr = 1,1 (m) = 1100 (mm)
1.3 Xác định chiều dày buồng đốt
Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép crôm – niken – titan (X18H10T) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn
Bề dày buồng đốt tính theo công thức XIII.8 [2-360]
𝑃 𝑏 50 thì bỏ qua Pb ở mẫu số
− Dtr : đường kính trong của phòng đốt, Dtr = 1100 (mm)
− : Hệ số bề dày của thân trụ theo phương dọc (mm) Tra XIII.8 [2-362] Hàn giáp mỗi hàn hai bên với thép cacbon; thép không gỉ và hai lớp: 0,95 (Dtr > 700mm)
− C: là tổng các hệ số với C = C1 + C2 + C3, (m) (CT VIII.7 [2-360] )
C1: bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thới gian của thiết bị làm việc do chọn thiết bị làm việc là X18H10T nên C1 1mm
C2: đại lượng bổ sung do hao mòn, C2 chỉ tính đến trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn nhất ở trong thiết bị thông thường ta chọn C2 bằng 0
C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu bảng XIII.9 [2-364]
Giới hạn bền chảy : 𝜎c = 220.10 6 (N/m 2 ) Ứng suất cho phép của thép bền không gỉ X18H10T theo giới hạn chảy là : [𝛿 𝑐 ] 𝜎 𝑐
𝑛 𝑐 𝑐 [4-355] Ứng suất cho phép của thép bền không gỉ X18H10T theo giới hạn kéo là : [𝛿 𝑘 ] 𝑘
Với nc, nk : hệ số an toàn theo giới hạn chảy, giới hạn kéo của thép bền không gỉ X18H10T Tra bảng XIII.3 [4-356] ta có nc = 1,5, nk = 2,6 ; η: Hệ số điều chỉnh, tra bảng XIII.2 [4-356] theo nhóm thiết bị ta đã chọn ta có η = 0,9
Vậy ứng suất cho phép của vật liệu là:
• Xác định áp suất làm việc ( áp suất trong thiết bị)
Môi trường là hỗn hợp hơi bão hòa – nước ngưng nên áp suất làm việc bằng tổng áp suất hơi (khí) và áp suất thủy tĩnh Pl của chất lỏng
490500 = 255,66 > 50 nên bỏ qua Pb ở mẫu Vậy chiều dày là :
Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [4-364] lấy S = 5 mm
• Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử ( dùng nước) theo công thức XIII.26 [2-365]
P0: áp suất thử tính toán được theo công thức: P0 = Pth + P1 (N/m 2 )
− Với Pth: áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2-358] ta có:
− P1: áp suất thủy tĩnh của nước: P1 = ρ.g.H (N/m 2 ) coi là rất nhỏ so với Pb
− ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng, ρ = 997,08 (kg/m 3 )
− H: chiều cao của cột chất lỏng H = 3 (m)
Thay vào công thức ta được:
2(4−1,4).10 −3 0,95 = 170,76 10 6 < 183.10 6 (N/m 2 ) Vậy chiều dày của phòng đốt là S = 5 (mm)
• Tính chiều dày lưới đỡ ống:
- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ
- Chiều dày lưới đỡ ống phải đảm bảo các yêu cầu sau:
1 Giữ chặt ống khi nung, bền
3 Giữ nguyên hình dạng khi khoan, khi nung cũng như sau khi nung ống
4 Bền dưới tác dụng của các loại ứng suất
*Yêu cầu 1: chọn chiều dày tối thiểu của mạng ống là S’ = 14 (mm)
*Yêu cầu 2: chiều dày của mạng ống là S = S’ + C = 14 + 1,4 = 15,4 (mm) Chọn S = 16 mm
- S: là chiều dày lưỡi đỡ ống S = 16 mm
- dn: là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 38 mm thay vào ta có f = 16.(50 - 38) = 184,8 (mm 2 ) fmin = 4,4.38 + 12 = 179,2 (mm 2 ) vậy f ≥ fmin (thỏa mãn)
*yêu cầu 4: kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn
- Pb: áp suất làm việc, N/m 2 Pb = 490500 N/m 2
- dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt dn = 0,038 (m)
Từ hình vẽ mô tả sự xếp ống có:
2 = 59,15 (𝑚𝑚) Thay số vào công thức ta có:
Vậy nên thỏa mãn điều kiện nên chọn chiều dày mạng ống là 16 mm
1.4 Chiều dày đáy phòng đốt: Đáy và nắp buồng đốt là thiết bị quan trọng của thiết bị thường được chế tạo cùng vật liệu với thân thiết bị Đáy và nắp có thể nối với thân thiết bị bằng cách ghép bích, hàn hay hàn liên với thân Đáy và nắp chọn elip có gờ , làm bằng vật liệu thép bền không gỉ X18H10T Chiều dày đáy và nắp phòng đốt được tính theo công thức (XIII.47 [4-385]):
- Dtr: Là đường kính trong buồng đốt, Dtr = 1,1 (m)
- hb: Chiều cao phần lồi của đáy
- σbk: Ứng suất cho phép của vật liệu
Theo bảng XIII.10 [4-382] do Dtr = 1,1 (m) nên hb = 275 (mm)
- φh: Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, φh = 0,95
- k: Hệ số bền của đáy, được xác định theo công thức 𝑘 = 1 − 𝑑
- d: Đường kính lỗ, tính theo đáy buồng đốt có cửa tháo dung dịch: d = √ 𝑉
- ω: Là vận tốc dung dịch ra khỏi nồi 1 => lấy ω = 0,5 (m/s)
- V: Lưu lượng dung dịch ra khỏi nồi 1, 𝑉 = 𝐺 đ − 𝑊 1
− P: Áp suất làm việc ở phía dưới phần đáy của phòng đốt
Pmt: Áp suất ở đỉnh, Pmt = 1,71.9,81.10 4 = 167751 (N/m 2 )
P1: Áp suất cột chất lỏng, N/m 2
197253,104 = 598,1 > 50 Nên có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu, vậy chiều dày đáy nồi phòng đốt là:
Quy chuẩn theo bảng XIII.11 [2-384] lấy S = 5 (mm)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thủy lực:
1,2 (XIII.49 [2-387]) Trong đó: P0: áp suất thủy lực với thiết bị kiểu hàn
1.5 Tra bích để lắp vào thân:
Tra bảng XIII.27 Bích liền bằng thép để nối thiết bị [2-417]
Kích thước nối Kiểu bích
Bulông 1 db (mm) Z(cái) H(mm)
Buồng bốc hơi
Có vai trò tao khoảng không gian bốc hơi và khả năng thu hồi bọt
2.1 Thể tích buồng bốc hơi:
− W: Là lượng hơi bốc lên trong thiết bị, W = W1 = 4363,64 (kg/h)
− ρh: Khối lượng riêng của hơi thứ, ρh = 0,915(kg/m 3 ) tại t1' = 114,6 ( o C) tra theo bảng I.251 [3-314]
− Un: Cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi
Với Un là cường độ bốc hơi ở P = 1at, Un = Utt = 1600 (m 3 /m 3 h)
Nếu P 1at thì Un = f.Utt, f là hệ số hiệu chỉnh tra ở đồ thị VI.3
2.2 Chiều cao phòng bốc hơi:
+ Dtr: Là đường kính trong của buồng bốc
2,0×3,14 = 1,39(m) Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [2-359], Dtrbb = 1,4 m
2.3 Chiều dày phòng bốc hơi:
- Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép bền không gỉ X18H10T
- Bề dày buồng đốt tính theo công thức (XIII8)[2-360]
𝑃 𝑏 50 thì bỏ qua Pb ở mẫu số
+ Dtr: Đường kính trong của phòng đốt, Dtr = 1400 (mm)
+ : Hệ sô bề dày của thân trụ theo phương dọc (mm)
Tra (XIII8)[2-362]Hàn giáp mỗi hàn hai bên với thép cacbon; thép không gỉ và hai lớp: = 0,95 (Dtr > 700mm)
+ C: Là tổng các hệ số với C = C1 + C2 + C3, m (CT VIII.7 [2-360] )
Để tăng cường khả năng chống ăn mòn do điều kiện môi trường làm việc và thời gian hoạt động của thiết bị, vật liệu chế tạo được lựa chọn là thép không gỉ X18H10T Do đó, lớp chống ăn mòn (C1) có độ dày 1 mm.
C2: Đại lượng bổ xung do hao mòn, C2 chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn nhất ở trong thiết bị Thông thường ta chọn C2 bằng 0
C3: Đại lượng bổ xung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu ( bảng XIII.9 [2-364]) C3 = 0,4 mm
Giới hạn bền chảy : 𝜎c = 220.10 6 (N/m 2 ) Ứng suất cho phép của thép bền không gỉ X18H10T theo giới hạn chảy là: [𝛿 𝑐 ] 𝜎 𝑐
𝑛 𝑐 𝑐 [2-355] Ứng suất cho phép của thép bền không gỉ X18H10T theo giới hạn kéo là : [𝛿 𝑘 ] 𝑘
Với nc, nk: Hệ số an toàn theo giới hạn chảy, giới hạn kéo của thép bền không gỉ X18H10T Tra bảng XIII.3 [4-356] ta có nc = 1,5 , nk = 2,6 η : hệ số điều chỉnh Các chi tiết, bộ phận không bị đốt nóng hay được cách ly với nguồn đốt nóng trực tiếp (nhóm thiết bị 2) Các thiết bị không dùng để sản suất và chứa ở áp suất cao (loại 2) Tra bảng XIII.2 [2-356] xác định được η = 1
Vậy ứng suất cho phép của vật liệu là:
− Pb: Áp suất bên trong thiết bị Pb =1,71.9,81.10 4 +1002,45.3.9,81 197253,104 (N/m 2 )
Bỏ qua Pb ở mẫu số
Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [2-364] lấy S = 3 mm
1,2 = 183,33 10 6 + P0: áp suất thử tính toán được theo công thức: P0 = Pth + P1
+ Pth: áp suất thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2-358] Với thiết bị kiểu hàn, làm việc ở điều kiện áp suất từ 0,07 đến 0,5.10 6 (N/m 2 ) ta có:
+ P1: áp suất thủy tĩnh của nước: P1 = ρ.g.H (N/m 2 ) Môi trường là hỗn hợp hơi bão hòa – nước ngưng nên coi trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1 = 0
Thay vào công thức ta được:
Vậy chiều dày phòng bốc là S = 3 (mm)
2.4 Chiều dày nắp phòng bốc:
Chiều dày đáy và nắp phòng bốc được tính theo công thức (XIII.47 [2-385]):
- Pb: Áp suất buồng bốc Pb = 1,71 9,81.10 4 = 167751 (N/m 2 )
- Dtr: Là đường kính trong buồng bốc, Dtr = 1,4 m
- hb: Chiều cao phần lồi của đáy
Theo bảng XIII.10 [2-382] do Dtr = 1,4 m nên hb = 350 mm
- φh: Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, φh = 0,95
- σbk: Ứng suất cho phép của vật liệu
- k: Hệ số bền của đáy, được xác định theo công thức 𝑘 = 1 − 𝑑
- d: Đường kính lỗ, tính theo đáy buồng bốc có cửa tháo dung dịch:
- ω: Là vận tốc thích hợp hơi thứ => lấy ω = 35 (m/s)
- V: Lưu lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1, 𝑉 = 𝑊 1
0,785×35 = 0,22 (m) Quy chuẩn theo XIII.26 [2 - 415] d = 220 mm
197253,204 = 593,36 > 30 nên bỏ qua Pb ở mẫu
2.5 Tra bích để lắp vào thân buồng bốc
Tra bảng XIII.27 Bích liền bằng thép để nối thiết bị [2-417]
Kích thước nối Kiểu bích
Bulông 1 db (mm) Z(cái) H(mm)
Một số chi tiết khác
3.1 Đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào và ra thiết bị:
3.1.1 Ống dẫn hơi đốt vào: Đường kính ống dẫn hơi đốt vào được tính theo công thức: VII.74 [2-74]
− ω: Là vận tốc thích hợp của hơi đốt trong ống ( hơi quá nhiệt ),lấy ω = 30
− V: Lưu lượng hơi đốt chảy trong ống, 𝑉 = 𝐷
− D: lượng hơi đốt đi vào nồi 1, D = 4897,19 (kg/h)
− : khối lượng riêng của hơi đốt tại T1 = 151,1°C
Tra bảng I.251 [1-315] suy ra = 2,614 (kg/m³)
Thay vào công thức ta được
Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [2-414] ta được 𝑑 𝑡𝑟1 = 150 (mm)
dtr = 150 mm được chấp nhận
Tra bảng XIII.26 [4-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
Kích thước nối Kiểu bích
Bulông 1 db (mm) Z(cái) H(mm)
Tra bảng XIII.32 [4-434] lấy chiều dài ống L = 130 mm
3.1.2 Ống dẫn dung dịch vào: Đường kính ống dẫn hơi đốt vào được tính theo công thức:
- ω: Là vận tốc thích hợp dung dịch đầu trong ống => lấy ω = 1 (m/s)
- V: Lưu lượng lỏng chảy trong ống, 𝑉 = 𝐺
- G: Lượng dung dịch đầu vào nổi , G = 11520 (kg/h)
- ρ: Khối lượng riêng của dung dịch đầu ở x = 5% , ρ = 1032,505 (kg/𝑚 3 )
Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [2-414] ta được dtr = 70 (mm)
0,785.3600.0,07 2 = 0,81 (m/s) nằm trong khoảng chọn Áp suất làm việc P = 𝑃 ′ = 1,71 (at) = 0,167.10 6 (N/𝑚 2 ) Quy chuẩn P = 0,25 10 6
Tra bảng XIII.26 [2-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
𝐷 𝑦 (mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [2-434] lấy chiều dài ống L = 110 mm
3.1.3 Ống dẫn hơi thứ ra
Lưu lượng dòng qua ống: W = W1 = 4377,44(𝑘𝑔 ℎ⁄ )
Khối lượng riêng hơi thứ ra khỏi nồi 1
Dựa vào bảng I.250 [1-313] ta có P 1 ′ = 1,71 ⇒ ρ = 0,9525 (kg ∕ m 3 )
0,785 35 3600 0,9525= 0,22(𝑚) Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [2 – 414] ta được dtr3 = 300 (mm)
Tra bảng XIII.26 [2-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
(mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [4-434] lấy chiều dài ống L = 140 mm
3.1.4 Ống dẫn dung dịch ra
Các đại lượng trong công thức VII.74 [2-74] với hơi đốt
- 𝜔: vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống Chọn 𝜔 = 1 (𝑚 ∕ 𝑠)
- 𝑉: lưu lượng lỏng chảy trong ống
+ 𝐺: lượng hơi đốt đi vào nồi 1, 𝐺 = 11520(𝑘𝑔 ∕ ℎ)
+ 𝑊 1 : lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1, 𝑊 1 = 4377,44(𝑘𝑔 ∕ ℎ)
+ 𝜌 : khối lượng riêng của dung dịch tại ts1 ,𝜌𝑑𝑑1 = 944,97 (𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 )
944,97.3600 = 2.1 10 −3 (𝑚 3 ∕ 𝑠) Thay các đại lượng trên vào công thức xác định 𝑑 𝑡𝑟1
Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [2-414] ta được 𝑑 𝑡𝑟1 = 50 (𝑚𝑚) Áp suất làm việc P= Ptb1 = 1,82 (at) = 0,178 10 6 (𝑁 𝑚⁄ 2 )
Tra bảng XIII.26 [4-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
(mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [2-434] lấy chiều dài ống L = 100 mm
Chọn bằng đường kính ống tháo dung dịch ra d = 50mm
Tra bảng XIII.26 [4-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
(mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [2-434] lấy chiều dài ống L = 100 m
3.2 Tính và chọn tai treo
Khối lượng mỗi nồi thử thủy lực:
Gtl = Gnk +Gnd (N) Trong đó: Gnk: khối lượng nồi không , N
Gnd : khối lượng nước được đổ đầy trong nồi , N
• Khối lượng đáy buồng đốt và nắp buồng bốc:
Tra bảng XIII.11 [2-384] chiều dày và khối lượng của đáy và elip có gờ
𝐷 𝑡𝑟 = 1100(mm), S =5 (mm), hb = 275 (mm) ta được 𝑚 1 = 54.94 kg
𝐷 𝑡𝑟 = 1400 (mm), S = 6 (mm), ℎ 𝑏 = 350 (mm) ta được 𝑚 2 = 107,06 kg
• Khối lượng thân buồng đốt: m3= ρ.V (kg)
− ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T, ρ = 7900 (kg/m 3 )
− V: thể tích thân buồng đốt, V = H 𝜋
− Dtr: đường kính trong buồng đốt, Dtr= 1,1 m
− Dn: đường kính ngoài buồng đốt, Dn = Dtr+2.S = 1,1+ 2.0,005 = 1,11 m
• Khối lượng thân buồng bốc: 𝑚 4 = 𝜌.V (kg)
− 𝜌: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌 = 7900 (kg/𝑚 3 )
− V: thể tích thân buồng đốt, V = H 𝜋
− 𝐷 𝑡𝑟 : đường kính trong buồng bốc, 𝐷 𝑡𝑟 = 1,4 m
− 𝐷 𝑛 : đường kính ngoài buồng bốc, 𝐷 𝑛 = 𝐷 𝑡𝑟 + 2.S = 1 + 2.0,006 = 1,412
• Khối lượng bích ghép lắp vào thân buồng bốc
Khối lượng bích ghép nắp và thân buồng bốc được xác định theo công thức:
Trong đó: Tra bảng XII.7 [2-313] được khối lượng riêng của thép không gỉ X18H10T = 7900 (kg/m³)
• Khối lượng bích ghép thân buồng đốt với nắp buồng đốt m6= 4.ρ.V (kg)
− ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T = 7900 (kg/m³)
• Khối lượng hai lưới đỡ ống: m7 = 2.ρ.V (kg)
− ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T = 7900 (kg/m³)
− S: chiều dày lưới đỡ ống, S = 0,016 (m)
− D: đường kính trong thân buồng đốt, D = 1,1 (m)
− n: số ống truyền nhiệt, n = 306 (ống)
− dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn= 0,038 (m)
• Khối lượng các ống truyền nhiệt m8= n.ρ.V (kg)
− ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T = 7900 (kg/m³)
− n: số ống truyền nhiệt, n = 306(ống)
− h: chiều cao ống truyền nhiệt, h = 3(m)
− dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn = 0,038(m)
− dtr: đường kính trong của ống truyền nhiệt, dtr = 0,034(m)
• Khối lượng phần nón cụt nối ống tuần hoàn và thân buồng bốc: m9 = ρ.V (kg)
− ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T = 7900 (kg/m³)
- Dtr: đường kính trong phần nón cụt, Dtr= 𝐷 𝑡𝑟𝑏𝑏 +𝐷 𝑡𝑟𝑏𝑑
− Dn: đường kính ngoài phần nón cụt, 𝐷 𝑛 = 𝐷 𝑛𝑏𝑏 +𝐷 𝑛𝑏𝑑
− H: chiều cao phần nón cụt, chọn h = 0,1(m)
Vậy tổng khối lượng nồi khi chưa tính bu lông, đai ốc là:
G: là gia tốc trọng trường, g = 9,81(m/s 2 )
Thể tích không gian nồi:
− hb: chiều cao buồng bốc, hb = 2 (m)
− Dtrbb: đường kính trong buồng bốc, Dtrbb = 1,4(m)
− hd: chiều cao buồng đốt, hd = 3 (m)
− Dtrbd: đường kính trong buồng đốt, Dtrbd = 1,1 (m)
− hnc: chiều cao nón cụt, hnc = 0,1 m
− Dtrnc: đường kính trong trung bình hình nón cụt, Dtrnc = 1,25m
4.(1,4 2 1,98+1,1 2 3 +0,1 2 1,25)= 5,9 (m 3 ) Khối lượng nước chứa đầy trong nồi là:
Khối lượng nồi khi thử thủy lực là:
Ta chọn số tai treo là 4 khi đó tải trọng một tai treo phải chịu là:
4 = 22455,45 (N) Chọn tai treo: Tra bảng XIII.36 tai treo thiết bị thẳng đứng [4-438]
Tải trọng cho phép trên một tai treo: G = 2,5.10 -4 , N
Tải trọng cho phép trên 1 tai treo,
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 -6 , N/m 2
Ta chọn kính quan sát có áp suất làm việc p
