tính toán thiết kế thiết bị cô đặc chân không theo tiêu chuẩn asme

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2 hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

1 Lý thuyết về cô đặc

a Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2 hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh

b Các phương pháp cô đặc:

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái

hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra

dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng

độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

c 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 gần mặt 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 năng lượng 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 dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

d 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 có những 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

2 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt:

Theo cấu tạo

o 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 mặt truyền 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)

o Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại

bề mặt truyền nhiệt

Ưu điểm 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

o Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truy ền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các 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 bọt khó vỡ

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

Theo phương thức thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng trong 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 dịch tuần 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 làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể

sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

+ Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng 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 hoặc không có ống tuần hoàn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

3 Các thiết bị chính trong hệ thống cô đặc

- Thiết bị chính:

+ 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 phụ:

+ Bể chứa nguyên liệu

+ Bể chứa sản phẩm

+ Bồn cao vị

+ Lưu lượng kế

+ Thiết bị gia nhiệt

+ Thiết bị ngưng tụ baromet

+ Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị

+ Bơm tháo liệu

+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

+ Bơm chân không

+ Các van

+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

II TIÊU CHUẨN ASME

American Society of Mechanical Engineers (ASME) là một tổ chức nghề

nghiệp giúp thúc đẩy nghệ thuật, khoa học, và quy trình kỹ thuật của các ngành nghề

kỹ thuật và liên kết các ngành khoa học trên khắp thế giới thông qua việc thường xuyên giáo dục, đào tạo và phát triển nghề nghiệp, "codes" và tiêu chuẩn, nghiên cứu, hội thảo và xuất bản ấn phẩm, liên lạc các hiệp hội, và các nỗ lực khác giúp tổ chức vươn xa hơn

Vì vậy mà ASME là một đoàn thể kỹ thuật, một tổ chức tiêu chuẩn, một tổ chức nghiên cứu và phát triển, một tổ chức vận động hành lang, một nhà cung cấp về đào tạo và giáo dục, và là một tổ chức phi lợi nhuận Được thành lập như một đoàn thể kỹ thuật, tập trung vào kỹ thuật cơ khí ở Bắc Mỹ, ASME ngày nay là một tổ chức đa nghề nghiệp và toàn cầu

ASME có trên 140,000 thành viên trên 158 quốc gia trên thế giới

Rossiter Worthington, John Edison Sweet và Matthias N Forney để đáp ứng lại nhiều thất bại trong các đường ống chịu áp lực nồi hơi Được biết đến cho việc thiết lập

"codes" và các tiêu chuẩn cho các thiết bị cơ khí, ASME chỉ đạo một trong những "tài liệu kỹ thuật vận hành" lớn nhất thế giới, tổ chức nhiều hội thảo kỹ thuật và hàng trăm khóa học phát triển nghề nghiệp hàng năm, và bảo trợ cho nhiều chương trình giáo dục vươn xa

ASME là một trong những tổ chức về tiêu chuẩn lâu đời nhất của Hoa Kỳ Tổ chức phát hành gần 600 "codes" và tiêu chuẩn trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, như bu lông

ốc vít, đường ống nước, thang máy, đường ống dẫn và hệ thống nhà máy điện và các thành phần

ASME phát triển các tiêu chuẩn tự nguyện để nâng cao an toàn, sức khỏe và chất lượng sống của cộng đồng, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho sự đổi mới, thương mại và cạnh tranh

ASME phát triển và xét duyệt các tiêu chuẩn dựa trên nhu cầu của thị trường thông qua quy trình thống nhất, thỏa thuận và cam kết giữa các bên liên quan gồm các nhà sản xuất, người dùng, chính quyền và các bên quan tâm khác Việc xây dựng tiêu chuẩn ASME cùng với sự xét duyệt theo sau đều được đánh giá dựa trên các dữ liệu

có độ tin cậy cao với sự nhất trí của các ủy ban tham gia vào quy trình xây dựng tiêu chuẩn

III SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN

CHỌN THÔNG SỐ

TÍNH TOÁN

KIỂM TRA

KẾT LUẬN

Thỏa

KhôngThỏa

IV THÔNG SÔ CÔNG NGHỆ

Chiều cao buồng đốt 1500 mm

Bảng 1: Thông sô công nghệ

Đường kính trong của buồng đốt:

D = 600 mm

Chiều cao buồng đốt:

H = 1500 mm

Đường kính trong của buồng bốc:

Dt = 800 mm = 31,5 in

Chiều cao buồng bốc:

L = 2000mm = 78,74 in

Chiều cao buồng đốt:

H = 1500 mm

Áp suất thiết kế cho buồng đốt và vỉ ống:

Pt = Phbh = 3 at 44,1 Psi

Nhiệt độ thiết kế cho buồng đốt:

Tt = Thbh + 20 = 142,9 + 20 = 162,9oC = 325,22 oF

(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Nhiệt độ thiết kế cho buồng bốc và nắp:

tt = 86,5+20 = 106,5 oC = 223,7

(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Nhiệt độ thiết kế cho đáy:

tt = 104,6 + 20 =124,6 oC = 256,23

Nhiệt độ thiết kế vỉ ống:

tt = 142,9oC = 289,22

Cô đặc dung dịch NaOH nên chọn vật liệu chế tạo:

Thép không gỉ 304

(Tra bảng PL3, 23, 24, phụ lục 3, hàng 43, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Thầy Nguyễn Hữu Hiếu)

Ứng suất cực đại cho phép (325,22 oF):

St = 14,697 103 Psi

Chọn mối hàn giáp mối một phía, tra bảng PL 4, phụ lục 4

E = 0,65

Dung sai ăn mòn cho phép:

CA = 2mm = 0,07887 in

VI THIẾT KẾ BUỒNG ĐỐT.

Pt = 44,1 Psi > Pkq =14,7 psi  nắp chịu áp suất trong

 Bề dày tối thiểu yêu cầu:

− Theo ứng suất vòng:

tt,v = = 0,055 in = 1,375 mm

− Theo ứng suất dọc trục:

tt,d = = 0,018 in = 0,45 mm

 Bề dày thực yêu cầu cho buồng đốt chịu áp suất trong:

tt = tt,v + CA = 1,375 + 2 = 3,375 mm

• Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép :

Để thuận tiện cho việc chế tạo, chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân để kiểm tra là

tt = 4mm = 0,157 in

+ Theo ứng suất vòng :

(MAWP)v =

(MAWP)v = 126 psi > Pt = 44,1 psi +Theo ứng suất dọc:

(MAWP)d = (MAWP)d = 255,35 psi > Pt = 44,1 psi Vậy, MAWP = 126 psi = min{(MAWP)v ; (MAWP)d}

Buồng đốt chịu áp suất trong, có bề dày tối thiểu yêu cầu là 4 mm

VII THIẾT KẾ BUỒNG BỐC

Giả sử bề dày tối thiểu yêu cầu được chọn:

tt = 6 mm = 0,236 in

Dn = 800 + 2= 812 mm = 31,97 in

L = 2000mm = 78,74 in

Tra hình PL 6.1, Phụ lục 6, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Thầy Nguyễn Hữu Hiếu, thu được: A 0,00035

Tra hình PL 6.8: B 4536 psi

• Kiểm tra áp suất tối đa cho phép:

Pa =

Thỏa điều kiện bền Vậy khi chịu áp suất ngoài, buồng bốc có bề dày tối thiểu yêu cầu

là 6 mm

VIII THIẾT KẾ ĐÁY – NẮP.

a Nắp elip:

Giả sử bề dày nắp bằng bề dày buồng bốc t = 6 mm = 0,24 in

Đường kính ngoài Dn = 812 mm = 31,97 in

Bán kính cong:

Hệ số A:

A = = = 1,04×

Từ Hình PL6.8, Phụ lục 6 sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Thầy Nguyễn Hữu Hiếu:

với , tra được:

B = 9000 Psi

• Kiểm tra áp suất ngoài tối đa cho phép:

Pa === 75Psi Pa = 14,7 Psi

Thỏa điều kiện bền

Vậy chọn thép tấm 304 có bề dày tối thiểu là 6mm để chế tạo nắp thiết bị

b Đáy :

Giả sử t t =4 mm ( chưa kể dung sai)

Chọn đáy có:

+ α = 30o

+ Đường kính ngoài ở phần đầu lớn của phần nón được xét :

DL= 600mm = 23,62 in

+ Đường kính ngoài của phần đầu nhỏ của phần nón được xét :

DS = 0

Với và chiều dài tương đương của đáy :

L=

Le =

Bề dày hiệu dụng và các tỷ số hình học của đáy :

te= tcos α = mm = 0,682 in

Từ hình PL6.1, Phụ lục 6, tra được

A 0.0023

Từ hình PL6.8, Phụ lục 6, với A 0.0023, T = 124,6 o C, tra được

B = 15876

• Kiểm tra áp suất ngoài tối đa cho phép:

Pa = = 122,22 psi > Pa = 14,7 psi

Thỏa điều kiện bền

Chọn thép tấm 304 có bề dày 6 mm là phù hợp để chế tạo đáy nón

IX THIẾT KẾ VỈ ỐNG.

Bề dày tối thiểu yêu cầu được chọn sơ bộ:

tt = 30 mm (đã tính dung sai ăn mòn)

Các thông số hình học cần thiết:

Dn = 600mm

L = 1500mm (chiều dài buồng đốt)

Tra hình PL 6.1, Phụ lục 6, thu được A 0.0055

Tra hình PL 6.8: B 1546 psi

• Kiểm tra áp suất tối đa cho phép:

Pa =

Thỏa điều kiện bền

Vậy chọn tấm thép có bề dày là 30 mm để chế tạo vỉ ống

Các yếu tố chọn vật liệu làm đệm

- Điều kiện quá trình làm việc

+ Áp suất + Nhiệt độ + Tính ăn mòn của chất lỏng

- Loại mặt bích, mục đích sử dụng

- Độ đàn hồi của vật liệu

Ví dụ:

- Áp suất trong thiết bị có xu hướng làm tách các mặt bích ra khỏi nhau

⟶ Áp suất tác dụng lên đệm thấp hơn áp suất của lực siết chặt đệm ban đầu

- Vật liệu làm đêm ⟶ không bị ăn mòn & phải chịu được nhiệt độ cao

Dựa vào bảng phụ lục 7.3 trang 316, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực, chọn mặt

bích số 19 ,21:

STT

Kích

thước

danh

nghĩa

Đường kính ngoài ống

d 1

Mặt bích Bề mặt được

nâng

Bulông

XI KẾT LUẬN.

Thiết bị có các bề dày tối thiểu yêu cầu:

nghĩa 800

Bảng 2 : Kết luận

XII TÀI LIỆU THAM KHẢO.

Đồ án quá trình thiết bị

Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu