THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH

Cô đặc: Là quá trình đun sôi dung dịch, làm bay hơi 1 phần dung môi trong dung dịch để thu được dung dịch đậm đặc hơn dung dịch ban đầu, dung môi tách dung dịch bay lên trên gọi là hơi thứ. Có 2 phương pháp cô đặc: + Phương pháp nhiệt + Phương pháp lạnh

1

MỤC LỤC

I MỘT SỐ KHÁI NIỆM 2

1 Cô đặc 2

2 Thiết bị cô đặc 2

3 Nhiệm vụ báo cáo 4

4 PD 5500 4

II LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH 5

III TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 6

1.Thông số ban đầu 6

2 Tính cho buồng đốt 6

2.1 Thông số công nghệ 6

2.2 Tính toán 6

3 Tính cho buồng bốc 7

3.1 Thông số công nghệ 7

3.2 Tính toán 7

4 Tính cho nắp thiết bị 8

4.1 Thông số công nghệ 8

4.2 Tính toán 8

5 Tính cho đáy thiết bị 8

5.1 Thông số công nghệ 8

5.2 Tính toán 9

6 Tính mặt bích 9

6.1 Thông số công nghệ 9

6.2 Chọn mặt bích 9

7 Tính vỉ ống 11

7.1.Thông số công nghệ 11

7.2 Tính toán 11

IV KẾT LUẬN 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

CHÚ THÍCH 15

2

1 Cô đặc:

- Là quá trình đun sôi dung dịch, làm bay hơi 1 phần dung môi trong dung dịch để thu được dung dịch đậm đặc hơn dung dịch ban đầu, dung môi tách dung dịch bay lên trên gọi là hơi thứ

- Có 2 phương pháp cô đặc:

+ Phương pháp nhiệt

+ Phương pháp lạnh

2 Thiết bị cô đặc:

- Phân loại thiết bị cô đặc:

+ Theo cấu tạo: đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức

+ Theo phương thức thực hiện quá trình: cô đặc áp suất thường, cô đặc áp suất

chân không, cô đặc nhiều nồi và cô đặc liên tục

Hình minh họa: Hệ cô đặc bốn nồi ngược chiều

3

- Các thiết bị và chi tiết 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

(*1)

4

 Các van

 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

1: Thùng chứa dung dịch

2: Buồng đốt

3: Thiết bị cô đặc

4:Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng

5: Thùng chứa nước

6: Thùng chứa hơi nước

7: Bơm dung dịch 8: Bơm nước 9: Bồn cao vị 10: Thùng chứa nước ngưng tụ 11: Lưu lượng kế

12: Thùng chứa sản phẩm 13: Thùng tháo nước ngưng

3 Nhiệm vụ báo cáo:

Tính toán tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc chân không dung dịch NaOH theo tiêu chuẩn PD 5500

4 PD 5500:

- PD 5500 "Quy cách cho các bình áp suất không hàn, hàn nhiệt" là một bộ quy tắc thực hiện cung cấp các quy tắc cho việc thiết kế, chế tạo và kiểm tra các thiết

bị áp lực

(*2)

5

- PD 5500 trước đây là một tiêu chuẩn Anh được sử dụng rộng rãi gọi là BS 5500, nhưng đã bị rút khỏi danh sách các Tiêu chuẩn Anh vì nó không được hài hoà với Chỉ thị Thiết bị Áp lực Europeran (97/23 / EC) Tại Vương quốc Anh, nó đã được thay thế bằng EN 13445 Nó hiện đang được xuất bản như một "tài liệu xuất bản" (PD) của Cơ quan tiêu chuẩn Anh

- Là công cụ tham khảo vô giá cho việc thiết kế và đánh giá các thiết bị áp lực

- Chỉ định các yêu cầu về vật liệu, thiết kế, sản xuất, kiểm tra, kiểm tra và xác minh

- Cung cấp cơ sở cho việc thiết kế và sản xuất cho Chỉ thị Thiết bị Áp lực (PED)

- Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật để lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung 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 (vỉ ống tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp

- Sơ đồ quy trình thiết kế thiết bị cô đặc:

Quy trình thiết kế cơ khí

6

III TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:

1.Thông số ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 1 m3/h

- Nồng độ đầu: 18% khối lượng

- Nồng độ cuối: 30% khối lượng

- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất: 4,76 at

- Áp suất ngưng tụ: pck = 0,7 at => pc = 1 – 0,7 = 0,3 at

- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30 0C

2 Tính cho buồng đốt:

2.1 Thông số công nghệ:

- Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 1500mm

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

- Vật liệu chế tạo là thép 304, có bọc lớp cách nhiệt

2.2 Tính toán:

- Hơi nước bão hoà có áp suất 4,76 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:

Pm = PD – Pa = 4,76 – 1 = 3,76 at = 0,369 N/

- Tại áp suất 4,76 at, ta tra được nhiệt độ của hơi đốt (hơi bão hòa) vào là tD = 150

°C ( Phụ lục 2-trang 212, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu)

- Vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:

ttt = tD + 20 = 150 + 20 = 170°C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

- Ứng suất thiết kế của vật liệu ở ttt là:

f = 124 N/ (theo bảng 4.2/trang 37, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu)

 Bề dày tối thiểu e =

(công thức 5.1 trang 15, sách Thiết kế cơ khí thiết bị

Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu)

Với J là hệ số bền mối hàn, chọn mối hàn giáp mối 1 phía, tra bảng phụ lục 4 trang 275, ta có J = 0,65

Vậy e tối thiểu =

= 1,377 mm

- Dung sai ăn mòn là 2mm nên

e thực = e tối thiểu + 2mm = 1,377 + 2 = 3,377 mm

7

Vậy chọn bề dày buồng đốt là 4mm

 Đường kính ngoài = 2x4mm + 600 = 608mm

Vậy chọn thép 304 dạng tấm có bề dày 4mm để làm buồng đốt

3 Tính cho buồng bốc

3.1 Thông số công nghệ:

- Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 800 mm, chiều cao Ht = 2000 mm

- Thân có 5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 2 kính quan sát

- Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt

- Vật liệu chế tạo là thép 304, có bọc lớp cách nhiệt

3.2 Tính toán

- 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 0,7 at, buồng bốc chịu áp suất ngoài là: Chọn Pn = 1at = 0,0981 MPa

- Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 90oC, vậy nhiệt độ thiết kế của buồng bốc là:

Ttk = 90 + 20 = 110°C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

- Tra bảng phụ lục 5 trang 277, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu nhóm G ta có module đàn hồi E = 27,3x106 psi = 191,45x103 MPa

- Chiều dài hiệu dụng h = = = 0,2m

Ht’ = Ht – = 2 – x0,2 = 1,73m

- Bề dày tối thiểu theo Hồ Lê Viên :

t min = 1,18.D.(

)0,4 = 1,18x800.(

)0,4 = 3,9156 mm

- Dung sai ăn mòn là 2 mm

 t = 3,9156 + 2 mm = 5,9156 mm

 t thực = 6 mm

Vậy chọn bề dày buống bốc là 6 mm

- Kiểm tra : Áp suất tối đa cho phép Pc = 2,2.E.( )3 (công thức 5.7 trang 47)

=2,2x191,45x103x(

)3=0,1699 MPa > 0,0981MPa Vậy chọn thép 304 dạng tấm có bề dày 6mm để làm buồng bốc

8

4 Tính cho nắp thiết bị:

4.1 Thông số công nghệ:

- Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn Dt = 800mm (không hàn)

→ chọn chiều cao của nắp từ đường tiếp tuyến lên đỉnh : h = 200mm

- Nắp có 1 lỗ để thoát hơi thứ

- Vật liệu chế tạo là thép 304

4.2 Tính toán:

- Nắp làm việc với áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là Po = 0,7 at nên chịu áp suất ngoài:

Chọn Ptk= 1at = 0,0981N/mm2

- Nhiệt độ hơi thứ ra : 90oC

- Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là:

ttt = 90 + 20 = 110°C (nắp có bọc lớp cách nhiệt)

- Tra bảng 4.2 trang 37 suy ra ứng suất f thiết kế = 148 N/mm2

- Tra bảng phụ lục 5 trang 277, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu nhóm G ta có E = 187,22.103 N/mm2

- Nắp elip chuẩn 2:1

- Bán kính cong tối đa: RS = a2/b = 824,18 mm

(2a = trục lớn = D, a = 812/2 = 406mm

2b = trục nhỏ = 2h suy ra b = h = 200mm ( chọn h = 200mm )

- Bề dày nắp : e = 4RS√ =4x824,18x√

= 2,39mm (công thức 5.23 trang 58)

- Dung sai ăn mòn là 2mm

 e thực = 2,39 + 2 = 4,39mm

Vậy chọn bề dày nắp là 6 mm ( Để thuận lợi cho việc chế tạo)

5 Tính cho đáy thiết bị:

5.1 Thông số công nghệ:

- Chọn đáy nón Dt = 600mm

- Chiều cao h=120 mm

- Đáy có 1 lỗ để thoát sản phẩm

- Vật liệu chế tạo là thép 304

9

5.2 Tính toán:

- Đáy làm việc ở điều kiện chân không, nên đáy chịu áp suất ngoài

Chọn P= 1 at = 0,0981 N/mm2

- Ptk= P = 0,0981 N/mm2

- Đường kính ngoài của thân: D ngoài = 600 + 2 x 4 = 608 mm

- T thiết kế = Tmax= 110oC, f = 145 N/mm2 (tra bảng 4.2 trang 37, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu)

- Chọn nửa góc ở đỉnh nón là α = 30°

 Hệ số thiết kế Cc = 1,35 ( trang 56, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu)

- Chọn mối hàn giáp mối một phía => hệ số bền mối hàn J = 0,65 (tra bảng phụ lục 4 trang 275)

Bề dày tối thiểu e =

=

= 0,422 (mm)

- Dung sai ăn mòn là 2mm

 e thực = 0,422 + 2 = 2,422 mm

Đáy nón được gắn trực tiếp với buồng đốt mà buồng đốt có bề dày là 4mm nên để thuận lợi cho việc chế tạo ta chọn bề dày đáy là 4mm

6 Tính mặt bích:

6.1 Thông số công nghệ:

- Bu lông và bích được làm từ bằng thép 304

- Mặt bích ở đây được dùng để nối nắp của thiết bị với buồng bốc, buồng bốc với buồng đốt và buồng đốt với đáy của thiết bị Chọn mặt bích có đệm nằm trong vòng bu lông

6.2 Chọn mặt bích:

Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt:

- Buồng đốt và buồng bốc được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 600

mm

- Áp suất thiết kế của buồng đốt là 0,363 N/mm2

- Áp suất thiết kế của buồng bốc là 0,0981 N/mm2

10

 Chọn mặt bích thép có cổ hàn ở áp suất danh nghĩa 6 bar

- Các thông số của bích được tra từ bảng PL 7.1, phụ lục 7, trang 314 sách Thiết

kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu

Kích

thước

danh

nghĩa

Đường

kính

ngoài

ống,

d1

Mặt bích

Bề mặt được

lông

Mặt bích nối buồng đốt và đáy:

- Buồng đốt và đáy được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 600 mm

- Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,363 N/mm2

- Áp suất tính toán của đáy là 0,0981 N/mm2

 Chọn mặt bích thép có cổ hàn ở áp suất danh nghĩa 6 bar

- Các thông số của bích được tra từ bảng PL 7.1, phụ lục 7, trang 314, sách Thiết

kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu

Kích

thước

danh

nghĩa

Đường

kính

ngoài

ống,

d1

lông

Hình: Mặt bích thép có cổ hàn ở

áp suất danh nghĩa 6 bar (1 bar

= 10 5 N/m 2 ) (*)

11

Mặt bích nối nắp và buồng bốc:

- Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng bốc Dt = 800 mm

- Áp suất thiết kế của buồng bốc và nắp cùng là 0,0981 N/mm2

 Chọn mặt bích thép có cổ hàn ở áp suất danh nghĩa 6 bar

- Các thông số của bích được tra từ bảng PL 7.1, phụ lục 7, trang 314, sách Thiết

kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu

Kích

thước

danh

nghĩa

Đường

kính

ngoài

ống,

d1

lông

7 Tính vỉ ống:

7.1.Thông số công nghệ:

- Chọn vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị

- Vỉ ống phải giữ chặt các ống truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất

- Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong

- Vật liệu chế tạo là thép 304

7.2 Tính toán:

- Áp suất thiết kế vỉ ống là 4,76 at = 0,4668 N/mm2

- Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là tt = tD = 150°C

- Ứng suất cực đại cho phép của vật liệu ở tt là fp = 130,24 N/mm2 (tra bảng 4.2 trang 37, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu)

- Hệ số ràng buộc λ= =

= 0,384 Với:

12

 ph : bước lỗ

 dh : đường kính lỗ

- Bề dày vỉ tối thiểu để chống lại sự uốn:

tp = CphDp√

= 0,3x600x√

=17,39 mm (công thức 11.3 trang 122) Với:

 : áp suất thiết kế vỉ ống hiệu dụng

 Cph: hệ số thiết kế (chọn = 0,3)

 Dp : đường kính vỉ = đường kính buồng đốt

- Bề dày tối thiểu để chống lại lực cắt

tp =

=

= 17,3 mm (công thức 11.4 trang 123) Với:

 τp : ứng suất cắt cho phép tối đa (lấy bằng một nửa ứng suất cho phép tối đa)

- Dựa vào bảng 11.1 trang 123, chọn bề dày thiết kế vỉ ống (với đường kính ngoài của ống truyền nhiệt: 29mm) là 22 mm

13

IV KẾT LUẬN:

ngưng, xả khí không ngưng

Buồng bốc

sửa chữa và 2 kính quan sát Dưới buồng bốc Phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt

Nắp thiết bị

Có 1 lỗ để thoát hơi thứ

Đáy thiết bị

Có 1 lỗ để thoát sản phẩm

Mặt bích

Mặt bích nối giữa buồng bốc và buồng đốt

14

Kích

thước

danh

nghĩa

Đường

kính

ngoài

ống,

d1

được nâng

Bu lông

Mặt bích nối buồng đốt và đáy

Kích

thước

danh

nghĩa

Đường

kính

ngoài

ống,

d1

được nâng

Bu lông

Mặt bích nối nắp và buồng bốc

Kích

thước

danh

nghĩa

Đường

kính

ngoài

ống, d1

được nâng

Bu lông

2

Vỉ ống

thiết bị

15

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

 Nguyễn Hữu Hiếu, Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực, NXB Đại học quốc gia TP

Hồ Chí Minh, 2017

CHÚ THÍCH:

(*): trích từ trang 313, phụ lục 7, hình PL7.1, quyển Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực, tác giả Nguyễn Hữu Hiếu, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2017

(*1): trang web có 1 số video mô phỏng các quy trình

https://www.convergencetraining.com/black-liquor-evaporators-operations.html (*2): trang web cộng đồng chia sẻ 1 số thiết bị được vẽ bằng cad hoặc solidworks https://grabcad.com/library/tube-heat-exchangers-designed-in-solidworks-2016-1