Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH

Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH. Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của cô Cao Thị Nhung, và các thầy cô bộ môn Quá trình và Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học Bách khoa thành phố Hố Chí Minh

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án Quá Trình Và Thiết Bị là một môn học hữu ích , giúp cho sinh viên chúng em ôn lại các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh viên học được cách thiết kế thông qua việc lựa chọn, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể và gần với thực tế

Tuy nhiên vì còn là sinh viên nên kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thựchiện đồ án khó có thể tránh được thiếu xót Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy

cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn

Đồ án này , em thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của cô Cao Thị Nhung, vàcác thầy cô bộ môn Quá trình và Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học Báchkhoa thành phố Hố Chí Minh Em xin chân thành cảm cô Cao Thị Nhung và các thầy côcũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN

 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH

 Năng suất nhập liệu: 1 m3/h

 Nồng độ đầu: 15% khối lượng

 Nồng độ cuối: 20% khối lượng

 Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,3 at

 Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30 oC (chọn)

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

 Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sôi ở 1388 oC dưới áp suất khí quyển NaOH tan tốt trongnước (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH ít tan hơn trong các dung môihữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ khôngkhí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín

 Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao Vì vậy, ta cầnlưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH

 Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và lâunăm Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổnghợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn

 Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng tới dungdịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dungdịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng, gâykhó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải

cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu

III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC

phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.

2 Các phương pháp cô đặc

tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chấtlỏng

dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy

ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

 Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gầnmặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết

ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ nănglượng thực hiện quá trình này

 Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt

và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dướiđáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

4 Ứng dụng của sự cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây… Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải cónhững thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

1 Phân loại và ứng dụng

1.1 Theo cấu tạo

 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhóm này có thể

cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặttruyền nhiệt Bao gồm:

 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: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm nàydùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưuđiểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt,

độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

 Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

 Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

 Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dungdịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tácdụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp chocác dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:

 Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọtkhó vỡ

 Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt vàbọt dễ vỡ

1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình

 Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùngtrong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại

và thời gian cô đặc ngắn nhất

 Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không Dung dịchtuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

 Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làmgiảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả haiphương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quảkinh tế

 Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự độngnhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặckhông có ống tuần hoàn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể ápdụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

2 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 gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ baromet

 Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị

 Bơm tháo liệu

 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

 Bơm chân không

 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

V LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH

 Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu đề, ngườiviết lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàntrung tâm Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa

 Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng,hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị)

 Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ (vì ốngtuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp

PHẦN II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

 Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệuđược bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị gianhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ gần nhiệt độ sôi

 Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên tronggồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vỉống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 3 at đi bênngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên

bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độsôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi.Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trungtâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoàiống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trongống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cungcấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi

để chảy ra ngoài

Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khốilượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dungdịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơitạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ởống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả

là có 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 phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng Hơi thứ đi lênphía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọt lỏng chảyxuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu

 Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờbơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bịngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăntrên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp

nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khíkhông ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút

ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bịngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suấtchân không trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở

độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm

 Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khíkhông ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng

 Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc

PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

1 Dữ kiện ban đầu

 Nồng độ đầu: xđ = 15 %

 Nồng độ cuối: xc =20 %

 Năng suất nhập liệu: Vđ = 1m3/h

 Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 oC

 Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 3 at

2 Cân bằng vật chất

Suất lượng tháo liệu (G c )

Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15 % ở 30 oC: ρđ = 1158,84 kg/m3 (tra bảng 4, trang

35, [1])

Suất lượng nhập liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1158,84 = 1158,84 kg/h

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:

Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:

Gđ = W + Gc

3 Tổn thất nhiệt độ

Ta có, áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,7at

Nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ tc là 89,3oC (trang 314, [1])

Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ.Chọn Δ’’’ = 1 oC (trang 296, [5])

Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

tsdm(po) - tc = Δ’’’⇒ tsdm(po) = tc + Δ’’’ = 89,3 + 1 = 90,3 oC

Áp suất buồng bốc: tra trang 312 ,[1] ở nhiệt độ 90,3 oC ⇒ po = 0,7238 at

Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 20 %

Tra bảng VI.2, trang 67, [2]: 'o = 8,2 oC

 f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11, trang

 t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất buồng bốc (tsdm(po) = 90,3 oC)

 r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc(p0= 0,7238 at) Tra bảng I.251, trang 314, [1]: r = 2284,096 kJ/kg

3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)Δ’’)

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là Δp (N/m2), ta có:

 ρs = 0,5.ρdd = 0,5 * 1173,14 = 586,57 kg/m3 (7)

 Hop chiều cao thích hợp của dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng; m

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd(ptb) oC 99

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy tsdd(po + 2Δp) oC 99,54

4 Cân bằng năng lượng

4.1 Cân bằng nhiệt lượng

 Nhiệt độ của dung dịch NaOH 15 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 97,9902oC

 Nhiệt độ của dung dịch NaOH 20 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là (công thức 2.15, trang

107, [3]) :

tc = tsdd(po + 2Δp)= tsdd(po )+2Δ’’= 97,9902+ 20,776=99,54 oC (15)Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:

Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]:

(+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt)

 Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1- φDct)( i”D – cθ); W

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì (i”D – cθ)= rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

(17) ⇒ D(1 - φDct)( i”D – cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W i W" + Qtt (18)Thay Qtt = εQQD = 0,05QD

Nhiệt dung riêg dung dịch 15% cđ J/(kg.K) 3558,1

Nhiệt dung riêng dung dịch 20% cc J/(kg.K) 3610,95

II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

A TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

α1 : hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (W/m2K)

α2 : hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi( W/m2K)

q1 : nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (W/m2)

q2 : nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi(W/m2)

qv : nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt (W/m2)

t v

1 : nhiệt độ trung bình vách ngoài ống (oC)

t v

2 : nhiệt độ trung bình vách trong ống (oC)

tD : nhiệt độ hơi ngưng, tD = 132,9(oC)

tdd : nhiệt độ dung dịch sôi (oC)

1) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q1=α1 Δtt1 (W/m2

) Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]

α1=2,04 A √4 r

Δtt1.H

Với A= ( ρ2μ λ3)0,25 phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm Ta tra hệ số A trong bảng trang 28,[2]

Thực hiện tính lặp ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1=130,6 0C

 ∆ t1=t D−t v 1=132,9−130,6=2,3℃

r =: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD (r = 2171 ¿ 103 ; J/kg)

H : chiều cao ống truyền nhiệt ( H= 1,5 m)

 Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa vách tường với dòng chất lỏng sôi

Thực hiện tính lặp, ta có nhiệt độ vách ngoài tv2= 107,4 0C

 Δt2 = 107,4 - 99= 8,4 K

 αn: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch Do nước sôi sủi bọt nên αn

được tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]: (W/m2K)

αn = 0,145.p0,5.Δt2 2,33Với p = p0 =0,7238 at = 73339.035 (N/m2): áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng

Δt2 = 8,4 K

❑n=0,145 ×73339.0350,5× 8,42,33=5623,6 ;W /(m¿¿2 K )¿

 Các thông số của nước ở tsdm(ptb) ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [1] ):

tsdm = 91,076(oC)

ρ n= 964,6 - khối lượng riêng (kg/m3)

cn = 4257,6 - nhiệt dung riêng (J/kg độ)

μ n = 0,3114×10-3 - độ nhớt (Ns/m2)

λ n = 68,02×10-2 -hệ số dẫn nhiệt (W/mK)

 Các thông số của dung dịch theo nồng độ ở tsdd(ptb)=99

μ dd = 1,156×10-3 - độ nhớt (Ns/m2) tra ở bảng 9 trang 17 Tài liệu [8]

cdd = 3610,95 -nhiệt dung riêng (J/kg độ) xác định theo nồng độ

ρ dd

= 1173,14 - khối lượng riêng (kg/m3) xác định theo nồng độ ở tsdd(ptb)

λ dd tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]

3 dd

M–khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O

M= a.MNaOH + (1 – a).MH2O ; kg/kmolVới a là phần mol của dung dịch NaOHXem nồng độ NaOH trong dung dịch là 20% (xc)

NaOH H O

x M a

 q2 = 9995,814,6= 27177 W/m2

3 Nhiệt tải riêng phía tường truyền nhiệt

W : nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có

màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8])

 r2=0,387.10−3; m2 K

W : nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp cặn bẩn

dày 0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2])

 v =3mm = 0,003m : bề dày ống truyền nhiệt

 λ v= 16,3 W/mK: hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ốngđược làm bằng thép không gỉ X18H10T

Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như sau:1) Chọn t v1 (< tD ) ⇒ Δtt1

Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi tv2 oC 107,4

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 W/(m2.K) 11003

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α2 W/(m2.K) 3227,7

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống λ W/(m.K) 16,3

Nhiệt trở phía dung dịch r2 m2.K/W 0.387.10-3

Hệ số truyền nhiệt tổng quát K W/(m2.K) 759,6

B.TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1 Tính kích thước buồng bốc

1.1 Đường kính buồng bốc (D b )

a) Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc

Áp dụng công thức III-22 trang 120,[6]

 W- suất lượng hơi thứ (kg/s)

 h = 0,4278 kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P0=0,7238 (tra bảng

I.251, trang 314, [1] và nội suy)

b) Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc

 ’= 965,09 khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm= 90,3oC (tra bảng I.249, trang 311,[1])

d là đường kính giọt lỏng; m Ta chọn giọt lỏng d = 0,0003m (tra trang 276,[5])

 Db > 0,503 m

 Chọn Db = 1000(mm) theo tiêu chuẩn trang 293, [5]

 Kiểm tra lại Re

 Như vậy đường kính buồng bốc là Db = 1000(mm)

1.2 Chiều cao buồng bốc (H b )

Áp dụng công thức VI.33, trang72, [2]:

tt tt

U f U at ;[m3/(m3.h)]

Trongđó:

 f– hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suấtkhí quyển

 U tt(1 )at : cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P =1 at

d l





Trongđó:

F = 7,5888m2– diện tích bề mặt truyền nhiệt

l =1,5 m– chiều dài của ống truyền nhiệt

Chọn ống truyền nhiệt có kích thước đường kính trong: d25

Vì α1 > α2 nên d = dt = 25 mm

Số ống truyền nhiệt là:

n= 7.5888

Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 91 và bố trí ống theo hình lục giác đều

2.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (D th )

Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:

4

;

t th

th t

l = 1,5 m– chiều dài của ống truyền nhiệt

dnth= 0,273 + 2.0,003 = 0,279 m – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

α = 60o–góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 7,5888 m2– diện tích bề mặt truyền nhiệt

→ D t=√0.273 ×1,42 sin 600.7,5888 0,031

0,8 ×1,5 +(0,279+2 ×1,4 × 0,031)

2

=0,46 m

 Chọn Dt = 600 mm = 0,6 m theo tiêu chuẩn trang 291, [5]

2.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Phân bố 91 ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều theo bảng V.11, trang 48,[2]

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 91

Số ống trong các hình viên phân

Trong đó:

 t - bước ống ; m Chọn t =1,5 dn

 b – số ống trên đường chéo của hình lục giác đều

 Chọn b = 5 ống theo bảng V.11, trang 48, [2] Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 5 ống trên đường xuyên tâm

 Số ống truyền nhiệt được thay thế là

 Số ống truyền nhiệt còn lại là: n’= 91 – 19 =72 (ống)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này:

G d

Năng suất nhập liệu : Gđ = 1158,84 kg/h

Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 15% ở t0= 97,99020C)

Năng suất tháo liệu Gc = 869,13 kg/h

Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 20% ở 99,540C)

Lượng hơi đốt biểu kiến: D = 0,09632 kg/s

Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at, chọn v = 20(m/s) theo tiêu chuẩn trang 74, [2]

 hơi đốt = 1,618 kg/m3 ( tra bảng I.251, trang 315, [1])

 hơi thứ = 0,4278 kg/m3 ( tra bảng I.251, trang 314, [1])

 nước ngưng = 932,58 kg/m3 ( tra bảng I.249, trang 311, [1])

→ d=√4.G πvρ=√2 932,58 π4 0,0321 =0.00468 (m)

Chọn dt = 20 (mm); dn = 25 (mm) (BảngIII.33,trang 435,[2])

3.6 Ống dẫn khí không ngưng

Chọn dt = 20 (mm); dn= 25 (mm) (BảngIII.33,trang 435,[2])

C.TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1 Tính cho buồng đốt

1.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Hbđ =1500 mm

 Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng

 Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

1.2 Tính toán

a Bề dày tối thiểu S ’

Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 3 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:

Pm= PD – Pa = 3 – 1 = 2 at = 0,203 N/mm2

Áp suất tính toán là:

Pt = Pm+ ρddgH = 0,203 + 1173,14  9,81.10-61,5 = 0,2203 N/mm2

ρdd = 1173,14 kg/m3 ở nhiệt độ sôi của dung dịch tại áp suất ptb (tsdd = 99oC)

Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 132,9 oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt= tD+20 = 132,9 + 20 =152,9oC (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Theo hình 1.2, trang16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

 φDct = 0,95 – hệ số bền mối hàn ( bảng1-8, trang19, [7], hàn 1 phía)

 Dt = 600 mm– đường kính trong của buồng đốt

 Pt = 0,2203 N/mm2– áp suất tính toán của buồng đốt

b Bề dày thực S

Dt = 600 mm  Theo bảng 5-1, trang 94,[7]: Smin= 3mm > 0,542 mm

 Chọn S’=Smin=3mm

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca=1 mm(thời gian làm việc10 năm)

Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb= Cc=0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0=0,22 mm (theo bảng XIII.9,trang 364, [2])

a t

Vậy bề dày buồng đốt là 5 mm

⇒Đường kính ngoài của buồng đốt:

 Dt = 600 mm– đường kính trong của buồng đốt

 S = 5 mm–bề dày của buồng đốt

 Ống xả nước ngưng Dt =20 mm < dmax

 Ống xả khí không ngưng Dt = 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 (5 mm)

2 Tính cho buồng bốc

2.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 1000 mm, chiều cao Ht = 2000 mm

 Thân có 4 lỗ , gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 1 kính quan sát

 Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồngđốt

 Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

2.2 Tính toán

a Bề dày tối thiểu S’.

Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,7238 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

Pn = Pm= 2Pa – P0 = 21 – 0,7238 =1, 2762 at = 0,129 N/mm2

Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm = 90.3oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:

ttt = 90,3 +20 = 110,30C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Chọn hệ số bền mối hành= 0,95 (bảng1-8, trang19, [7], hàn 1 phía)

Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:[σ]* =138 N/mm2

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt ) (trang17, [7])

⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ]= η.[σ]* = 0,95.138 = 131,1 N/mm2

Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E=2,05.105 N/mm2

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng1-6, trang14, [7]).

⇒Ứng suất chảy của vật liệu là:

 Dt = 1000 mm– đường kính trong của buồng bốc

 Pn= 0,129 N/mm2 – áp suất tính toán của buồng bốc

 L = 2000 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích

b Bề dày thực S.

Dt = 1000 mm⇒ Smin= 4 mm < 4,505 mm⇒ chọn S’= 4,505 mm (tra Smin theo bảng 5.1, trang 94, [7])

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca=1 mm (thời gian làm việc10 năm)

Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,4mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [2])

d Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài.

So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99, [7]:

Nên , theo điều kiện bền khi L < 5D thì

Lực nén chiều trục buồng bốc Pnct tính như sau :

25 ≤ D

2(S−C a)=

10002(8−1)=71,42 ≤250 (thoả)

0,1290,259≤ 10,56 ≤ 1(thoả)Vậy bề dày buồng bốc là 8 mm

Đường kính ngoài buồng bốc:

 Dt =1000 mm– đường kính trong của buồng bốc

 S = 8 mm–bề dày của buồng bốc

 k – hệ số bền của lỗ

(2,3.[σ]−P n)t (S−C a)=

0,1291000(2,3 131,1−0,129)(8−1 )=0,071

⇒ Cần tăng cứng cho cửa sửa chữa và kính quan sát, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân ( 10 mm)

3 Tính cho đáy thiết bị

3.1 Sơ lược về cấu tạo

Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dtr.n = 600 mm

Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 600

Tra bảng XIII.21,trang 394, [2]:

Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 544 mm

Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,071 m3

Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu và1 lỗ để gắn vòi thử sản phẩm

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T

3.2 Tính toán

Tổng thể tích của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:

Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị:

 vnl - tốc độ của dung dịch trong ống nhập liệu ; m/s

 dnl – đường kính trong của ống nhập liệu ; m

 Dth – đường kính trong của ống tuần hoàn ; m

 l – chiều dài của ống truyền nhiệt ; m

 l’ – chiều dài hình học của đáy ; m

Thể tích dung dịch đi vào trong thiết bị:

- khối lượng riêng của dung dịch sôi bọt trong thiết bị; kg/m3

Thể tích của phần dung dịch trong buồng bốc:

 Hc – chiều cao của chất lỏng trong buồng bốc ; mm

 Hbđ – chiều cao của chất lỏng trong buồng đốt; mm

 Hđ.n – chiều cao của chất lỏng trong đáy nón; mm (= chiều cao của đáy nón + chiều cao gờ )

Áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị:

Ptt = dd.g.H’= 1170,33  9,81  2,7  10-6 = 0,029 ; N/ mm2

Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là: P0 = 0,7238 at nên chịu áp suất ngoài là 1,2762 at

= 0,129 N/mm2 Ngoài ra đáy còn chịu áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị Như vậy, áp suất tính toán là:

 l’ = H = 544 mm – chiều cao tính toán của đáy

 D’– đường kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, trang133, [7])

D '=0,9 D đ n lớn+0,1 dđ n nhỏ

0,9× 600+0,1 ×20

cos300 =625,85 ;mmTrong đó:

 D đ.n.nhỏ = 20 mm - đường kính trong bé của đáy nón (đường kính ống tháo liệu)

 η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)

 [σ]= η.[σ]* =0,95 136 = 129,2 N/mm2 ứng suất cho phép của vật liệu

 Et = 2,05.105 (N/mm2) module đàn hồi của vật liệu ở tt ( bảng 2-12, trang 34, [7])

 nc =1,65 – hệ số an toàn khi chảy ( bảng1-6, trang 14, [7])

 σct = nc.[σ]* = 1,65 136 =224,4 N/mm2 - giới hạn chảy của vật liệu ở tt (công thức 1-3, trang 13, [7])

Chọn bề dày tính toán là S = 5 mm, bằng với bề dày thực của buồng đốt

l '

D '=

544625,85=0,869Kiểm tra công thức 5-15, trang 99,[7]