Đồ án cô đặc trong công nghệ hóa học thực phẩm

đồ án cô đặc

MỤC LỤC CHƢƠNG : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nguyên liệu 1.2 Tổng quan q trình đặc 1.3 Cô đặc nhiều nồi CHƢƠNG : MƠ TẢ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT 2.1 Lựa chọn quy trình cơng nghệ 2.2 Mô tả dây chuyền công nghệ CHƢƠNG : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Tính tốn suất nhập liệu tháo liệu 3.2 Cân nhiệt lƣợng 3.2.1 Xác định áp suất nhiệt độ nồi 3.2.2 Nhiệt độ áp suất thứ 3.2.3 Xác định nhiệt độ tổn thất 3.2.4 Hệ số hữu ích nhiệt độ sôi nồi 3.2.5 Nhiệt độ sôi thực tế dung dịch nồi 3.2.6 Tính nhiệt dung riêng dung dịch nồi 10 CHƢƠNG : TÍNH TỐN KÍCH THƢỚC THIẾT BỊ CHÍNH 13 4.1 Tính tốn bề mặt truyền nhiệt buồng đốt 13 4.1.1 Tính hệ số cấp nhiệt α ngƣng tụ 13 4.1.2 Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 13 4.1.3 Xác định hệ số truyền nhiệt nồi để kiểm tra đối chiếu 16 4.2 Tính tốn buồng đốt 18 4.2.1 Đƣờng kính buồng đốt 20 4.2.2 Bề dày thân buồng đốt 21 4.2.3 Bề dày đáy buồng đốt 23 4.3 Tính tốn buồng bốc 25 4.3.1 Đƣờng kính buồng bốc 25 4.3.2 Chiều cao buồng bốc 25 4.3.3 Bề dày buồng bốc 26 4.3.4 Bề dày nắp buồng bốc 27 4.4 Đƣờng kính ống dẫn 28 4.4.1 Đƣờng kính ống dẫn đốt 29 4.4.2 Đƣờng kính ống dẫn thứ 29 4.4.3 Đƣờng kính ống dẫn dung dịch 30 4.5 Chiều dày vĩ ống 32 4.6 Chiều dày lớp cách nhiệt 32 iv 4.6.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn 32 4.6.2 Tính bề dày lớp cách nhiệt thân thiết bị 34 4.7 Chọn mặt bích 35 4.7.1 Buồng đốt 35 4.7.2 Buồng bốc 35 4.8 Chọn tai treo 36 4.8.1 Khối lƣợng đáy buồng đốt 37 4.8.2 Khối lƣợng thân buồng đốt 37 4.8.3 Khối lƣợng nắp buồng bốc 37 4.8.4 Khối lƣợng thân buồng bốc 37 4.8.5 Khối lƣợng lớp cách nhiệt 37 4.8.6 Khối lƣợng cột chất lỏng 38 4.8.7 Khối lƣợng cột 38 4.8.8 Khối lƣợng bích 38 4.8.9 Khối lƣợng ống truyền nhiệt 39 4.8.10 Khối lƣợng vỉ ống 39 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 v LỜI MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật sản xuất cơng nghiệp hóa chất ngành khác, thƣờng phải làm việc với hệ dung dịch rắn tan lỏng, lỏng lỏng Để nâng cao nồng độ dung dịch theo yêu cầu sản xuất kỹ thuật ngƣời ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi khỏi dung dịch Phƣơng pháp phổ biến dùng nhiệt để làm bay cịn chất rắn tan khơng bay hơi, nồng độ dung dịch tăng lên theo yêu cầu mong muốn Thiết bị dùng chủ yếu thiết bị cô đặc dạng ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cƣỡng bức, phịng đốt ngồi, …trong thiết bị đặc có tuần hồn có ống tuần hồn trung tâm đƣợc dùng phổ biến thiết bị có ngun lý đơn giản, dễ vận hành sửa chữa, dùng cô đặc dung dịch có độ nhớt tƣơng đối cao… dây truyền thiết bị dùng nồi, nồi, nồi…nối tiếp để tạo sản phẩm theo yêu cầu Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng thiết hệ thống nồi nồi để có hiệu suất sử dụng đốt cao nhất, giảm tổn thất trình sản xuất Để bƣớc đầu làm quen với công việc kỹ sƣ công nghệ thiết kế thiết bị hay hệ thống thực nhiệm vụ sản xuất, chúng em đƣợc phân công đồ án học phần Việc thực đồ án điều có ích cho sinh viên việc bƣớc tiếp cận với việc thực tiễn sau hoàn thành khối lƣợng kiến thức mơn “Q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học” sở lƣợng kiến thức kiến thức số mơn khoa học khác có liên quan sinh viên tự tính tốn thiết kế thiết bị công nghệ theo yêu cầu Qua việc làm đồ án môn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu việc tra cứu, vận dụng kiến thức, quy định tính tốn thiết kế, tự nâng cao kĩ trình bày thiết kế theo văn khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Trong đồ án môn học này, chúng em cần thực thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xi chiều, thiết bị đặc ống tuần hồn ngồi dùng cho đặc dung dịch NaOH với cơng suất 2500 kg/h từ nồng độ đầu 15% lên tới 30% theo khối lƣợng vi DANH MỤC HÌNH, BẢNG BIỂU Bảng Nhiệt độ áp suất thứ Bảng Tổn thất nhiệt độ nồng độ D’ Bảng 3 Tổn thất nhiệt áp suất thủy tĩnh (D’’ ) Bảng Đường kính loại ống dẫn 32 Bảng Ống dẫn đốt 33 Bảng Ống dẫn thứ 34 Bảng 4 Ống dẫn dung dịch 34 Bảng Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc 36 Bảng Kích thước bích nối ống dẫn 36 Bảng Khối lượng bích 39 Bảng Các thông số tai treo 40 vii CHƢƠNG : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nguyên liệu Natri hiđroxit hay (công thức hóa học NaOH) hay thƣờng đƣợc gọi xút xút ăn da, dạng nguyên chất chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lƣợng riêng 2,1 g/cm³, nóng chảy 318 oC (519K) sơi 1390 °C (1663K) dƣới áp suất khí NaOH tan tốt nƣớc (1110 g/l 20 oC) hồ tan toả nhiệt mạnh NaOH tan dung môi hữu nhƣ metanol, etanol… NaOH rắn dung dịch NaOH dễ hấp thụ CO từ khơng khí nên chúng cần đƣợc chứa thùng kín Dung dịch NaOH bazơ mạnh, có tính ăn da có khả ăn mịn cao Vì vậy, ta cần lƣu ý đến việc ăn mịn thiết bị đảm bảo an tồn lao động q trình sản xuất NaOH Ngành cơng nghiệp sản xuất NaOH ngành sản xuất hoá chất lâu năm Nó đóng vai trị to lớn phát triển ngành công nghiệp khác nhƣ dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hố dầu, giấy, dệt nhuộm, xà phịng chất tẩy rửa,… Natri hydroxit đƣợc sử dụng chủ yếu phịng thí nghiệm Trƣớc cơng nghiệp, NaOH đƣợc sản xuất cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 lỗng nóng Ngày nay, ngƣời ta dùng phƣơng pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu đƣợc thƣờng có nồng độ lỗng, gây khó khăn việc vận chuyển xa Để thuận tiện cho chuyên chở sử dụng, ngƣời ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến nồng độ định theo u cầu 1.2 Tổng quan q trình đặc Cơ đặc q trình làm tăng nồng độ chất hòa tan dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử cách tách bớt phần dung môi phƣơng pháp sử dụng nhiệt độ phƣơng pháp làm lạnh kết tinh Q trình đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi cao thƣờng đƣợc tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn) Trong cô đặc cần hiểu rõ khái niệm: - Hơi đốt: dùng để đun sôi dung dịch Hơi thứ: bốc lên từ nồi cô đặc Hơi phụ: lấy làm đốt cho thiết bị ngồi hệ thống đặc Q trình đặc thƣờng dùng phổ biến công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ dung dịch lỗng, tách bớt chất rắn hịa tan Q trình đặc thƣờng đƣợc tiến hành điều kiện áp suất khác Khi làm việc áp suất thƣờng (áp suất khí quyển) ngƣời ta dùng thiết bị hở, làm việc áp suất khác áp suất khí (áp suất chân khơng) ngƣời ta dùng thiết bị kín Q trình đặc tiến hành hệ thống đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn 1.3 Cô đặc nhiều nồi Khi đặc nồi tiêu hao đốt lớn, không kinh tế Mặt khác thứ mang nhiệt lƣợng lớn, tốn nƣớc để ngƣng tụ Q trình đặc nhiều nồi tận dụng thứ làm đốt , hạ thấp tiêu tiêu hao đốt, suất lớn, dễ khống chế thông số kỹ thuật Trong công nghiệp hệ thống cô đặc nhiều nồi đƣợc chia thành loại: - Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngƣợc chiều Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song - Ƣu điểm nhƣợc điểm thiết bị cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Ƣu điểm: Để hệ thống làm việc đƣợc nhiệt độ áp suất nồi trƣớc phải lớn nồi sau, dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua nồi sau mà không cần bơm, đỡ tốn lƣợng Thƣờng nồi đầu áp suất dƣơng, nồi sau áp suất âm - Nhiệt độ sản phầm thấp nên chất lƣợng sản phẩm tốt - Hệ thống đơn giản, chi phí đầu tƣ thấp Nhƣợc điểm: nồi sau nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt tăng, hệ số K giảm, không khai thác đƣợc hết công suất thiết kế thiết bị Trong khuôn khổ đồ án ta tiến hành cô đặc dung dịch NaOH theo cách tách dung môi dƣới dạng hệ thống thiết bị đặc hai nồi xi chiều liên tục Q trình cô đặc tiến hành trạng thái sôi, nghĩa áp suất riêng phần dung môi mặt thoáng dung dịch với áp suất làm việc thiết bị CHƢƠNG : MƠ TẢ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT 2.1 Lựa chọn quy trình cơng nghệ Năng suất quy trình theo đồ án yêu cầu 2500 kg/h, ta chọn sơ đồ cơng nghệ nhƣ sau: Hình 2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ cô đặc chân không dung dịch NaOH nồi xi chiều Chú thích thiết bị: Bồn cao vị Thiết bị gia nhiệt Lƣu lƣợng kế Nồi cô đặc số Nồi cô đặc số Thiết bị ngƣng tụ Baromet Thiết bị phân ly 10 Bơm hút chân không 11 Bồn chứa nƣớc ngƣng 12 Bơm sản phẩm 13 Bồn chứa sản phẩm 14 Thiết bị tách lỏng 16 Bồn chứa nguyên liệu (NaOH 15%) 17 Bơm nhập liệu 2.2 Mô tả dây chuyền công nghệ 2.2.1 Nguyên tắc hoạt động hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều Nguyên liệu ban đầu dung dịch NaOH có nồng độ 15% đƣợc chứa bồn chứa nguyên liệu số 16 Sau đƣợc bơm lên bồn cao vị số nhờ bơm nguyên liệu số 17 Từ bồn cao vị, dung dịch NaOH chảy qua lƣu lƣợng kế vào thiết bị gia nhiệt số đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sơi nồi đặc số đƣa vào nồi cô đặc số để cô đặc phần dung dịch Nồi số sử dụng đốt nhà máy Dung dịch từ nồi số tự chuyển sang nồi số chênh lệch áp suất làm việc hai nồi (áp suất nồi sau < áp suất nồi trƣớc) Nhiệt độ nồi trƣớc lớn nồi sau dung dịch vào nồi thứ có nhiệt độ cao nhiệt độ sơi Nồi số sử dụng thứ nồi số để làm đốt, tiếp tục cô đặc dung dịch NaOH đạt tới nồng độ yêu cầu (30% theo khối lƣợng) Hơi thứ nồi đƣợc đƣa qua thiết bị ngƣng tụ Baromet số để tạo độ chân không cho hệ thống nhờ bơm hút chân không số 10 Sản phẩm nồi cô đặc số đƣợc bơm sản phẩm (bơm ly tâm) số 12 liên tục hút 2.2.2 Nguyên lý làm việc thống thiết bị cô đặc Thiết bị gia nhiệt số thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ đƣợc bố trí theo đỉnh hình tam giác Các đầu ống đƣợc giữ chặt vỉ ống vỉ ống đƣợc hàn dính vào thân Nguồn nhiệt nƣớc bão hồ có áp suất at bên ngồi ống (phía vỏ) Dung dịch từ dƣới lên bên ống Hơi nƣớc bão hoà ngƣng tụ bề mặt ống cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau đƣợc gia nhiệt chảy vào thiết bị cô đặc để thực trình bốc Hơi nƣớc ngƣng tụ thành nƣớc lỏng theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy chảy 2.2.3 Nguyên lý làm việc nồi cô đặc Phần dƣới thiết bị buồng đốt, gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hồn trung tâm Dung dịch ống cịn đốt (hơi nƣớc bão hồ) khoảng khơng gian ống Hơi đốt ngƣng tụ bên ống truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động ống Dung dịch ống theo chiều từ xuống nhận nhiệt đốt ngƣng tụ cung cấp để sơi, làm hố phần dung mơi Hơi ngƣng tụ theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy để chảy ngồi Một phần khí khơng ngƣng đƣợc đƣa qua tháo khí khơng ngƣng Nƣớc ngƣng đƣợc đƣa khỏi phòng đốt tháo nƣớc ngƣng Phần phía thiết bị buồng bốc để tách khỏi dung dịch, buồng bốc có phận tách bọt để tách giọt lỏng khỏi thứ Hơi thứ trƣớc khỏi nồi cô đặc đƣợc qua phận tách bọt nhằm hồi lƣu phần dung dịch bốc theo thứ qua ống dẫn bọt 2.2.4 Nguyên lý làm việc ống tuần hoàn trung tâm Khi thiết bị làm việc, dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – có khối lƣợng riêng giảm bị đẩy từ dƣới lên miệng ống Đối với ống tuần hồn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt nên lƣợng tạo ống truyền nhiệt lớn Vì lý trên, khối lƣợng riêng hỗn hợp lỏng – ống tuần hoàn lớn so với ống truyền nhiệt hỗn hợp đƣợc đẩy xuống dƣới Kết có dịng chuyển động tuần hồn tự nhiên thiết bị: từ dƣới lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn 2.2.5 Thiết bị ngƣng tụ Baromet thiết bị phụ khác Hơi thứ khí khơng ngƣng từ phía buồng bốc nồi cô đặc số vào thiết bị ngƣng tụ Baromet (thiết bị ngƣng tụ kiểu trực tiếp) Trong thiết bị ngƣng tụ,chất làm lạnh nƣớc đƣợc bơm vào ngăn dòng thứ đƣợc dẫn vào ngăn dƣới thiết bị Dòng thứ lên gặp nƣớc giải nhiệt để ngƣng tụ thành lỏng chảy xuống bồn chứa nƣớc ngƣng số 11 qua ống Baromet, cịn khí khơng ngƣng tiếp tục lên trên, đƣợc dẫn qua phận tách giọt đƣợc bơm chân khơng hút ngồi Khi thứ ngƣng tụ thành lỏng thể tích giảm làm áp suất thiết bị ngƣng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngƣng tụ Baromet thiết bị ổn định chân khơng, trì áp suất chân không hệ thống Thiết bị làm việc áp suất chân khơng nên phải đƣợc lắp đặt độ cao cần thiết để nƣớc ngƣng tự chảy ngồi khí mà khơng cần bơm Bơm chân khơng số 10 có nhiệm vụ hút khí khơng ngƣng ngồi để tránh trƣờng hợp khí khơng ngƣng tích tụ thiết bị ngƣng tụ nhiều, làm tăng áp suất thiết bị nƣớc chảy ngƣợc vào nồi đặc Trƣớc khí khơng ngƣng đƣợc hút ngồi đƣợc đƣa qua thiết bị phân ly số (hay đƣợc gọi bình tách giọt) Thiết bị phân ly có vách ngăn với nhiệm vụ tách giọt lỏng bị lơi theo dịng khí khơng ngƣng để đƣa bồn chứa nƣớc ngƣng CHƢƠNG : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Tính tốn suất nhập liệu tháo liệu – Năng suất nhập liệu : GD = 2500 kg/h – Nồng độ nhập liệu : xD = 15 % – Nồng độ cuối sản phẩm : xC = 30 % – Áp dụng phƣơng trình cân vật chất : GD xD = GC xC Suy : GC = G D x D 2500.15 = = 1250 (kg/h) xC 30 – Lƣợng thứ bốc lên toàn hệ thống Áp dụng cơng thức : W = GD (1 Þ W = 2500.(1 - xD ) , kg/h xC 15 ) = 1250 (kg/h) 30 – Giả thuyết phân bố thứ nồi Chọn tỷ số thứ bốc lên từ nồi : W1 =1 W2 Khi ta có hệ phƣơng trình : W1 =1 W2 W1 + W2 = W = 1250 (kg/h) Giải hệ ta có kết : W1 = 625 kg/h W2 = 625 kg/h Xác định nồng độ dung dịch nồi Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi : x’C = GD xD 2500.15 = = 20 % GD - W1 2500 - 625 Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi : x”C = GD xD 2500.15 = = 30 % GD - W1 - W2 2500 - 625 - 625 3.2 Cân nhiệt lƣợng 3.2.1 Xác định áp suất nhiệt độ nồi Hiệu số áp suất hệ thống cô đặc Chọn áp suất ngƣng tụ : 0,2 at Tra bảng I.251/314[1] ta có nhiệt độ thiết bị ngƣng tụ : Tng = 59,7 0C s= [D ] + 2.hb ( S - C ) Po s c £ 7,6.k j h hb (S - C ) 1,2 t XIII.49/386[2] Pht1 = 140871,6 N/m2 nằm khoảng 0,07.106 ÷ 0,5.106 (N/m2) Chọn Pth = 1,5.Pht1 Þ Po = 1,5 140871,6 + 9,81.1162,935.0,4 = 216441,2 (N/m2) é0,92 + 2.0, 225 ( - 3,5 )10 -3 ùû 216441,2 = 205,1.106 > 200.106 (N/m2) s=ë -3 7, 6.1.1.0, 225 ( - 3,5 )10 Vậy chọn chiều dày nắp buồng bốc nồi S = mm (Bảng XIII.9/364[2]) Nồi 2: Vì buồng bốc nồi làm việc áp suất chân khơng áp suất ngồi nên: P = Pht2 + pn = (0,211 + 1).9.81.104 = 118799,1 (N/m2) Ta có: [s ] k.j P h = 1,462.108 1.1 = 1230,65 > 50 118799,1 Do bỏ đại lƣợng P mẫu: Þ Sn = 0,9.118799,1 0,9 + C = 0,38.10-3 + C , m 3,8.1, 462.10 1.1 2.0, 225 Vì S – C = 0,38.10-3 < 10.10-3 m Nên tăng C thêm (mm), suy C = 3,5.10-3 m Khi S = (0,34 +3,5).10-3 = 3,84.10-3 (m) Ta chọn S = mm Kiểm tra ứng suất thành: s= [D ] + 2.hb ( S - C ) Po s c £ 7,6.k j h hb (S - C ) 1,2 t XIII.49/386[2] Vì P = 118799,1 (N/m 2) nằm khoảng 0,07.106 ÷ 0,5.106 N/m2 Chọn Pth = 1,5.P Vì Pht2 = 1,5 118799,1 + 9,81.1303,5 0,4 = 183313,6 (N/m2) é0,92 + 2.0, 225 ( - 3,5 ) 10 -3 ùû 183313,6 = 173,71.106 < 200.106 (N/m2) Þ s=ë -3 7, 6.1.1.0, 225 ( - 3,5 ).10 Vậy chọn S2 = mm Ta chọn bề dày nắp buồng bốc cho nồi là: S = mm 4.4 Đƣờng kính ống dẫn Phƣơng trình lƣu lƣợng: Vs = Þd = Vs 0,785.w p d w VI.41/74[2] ,m 28 Trong đó: – Vs : lƣu lƣợng khí, hơi, dung dịch chảy ống, m3/s – w : tốc độ thích hợp ống, m/s Chọn w = 20 m/s (đối với bão hịa, chọn ω = 20 ÷ 40 (m/s) w = 1m/s (đối với chất lỏng nhớt, chọn ω = 0,5 ÷ (m/s) Mà: Vs = W.v – W: lƣu lƣợng khối lƣợng, kg/s – v : thể tích riêng , m3/kg 4.4.1 Đƣờng kính ống dẫn đốt Nồi 1: W= D 693,336 = = 0,193 (kg/s) 3600 3600 Ở nhiệt độ thd1 = T1 = 142,9 oC Bảng I.250/314[1] Þ v = 0,4718 m3/kg Suy ra: d = 0,193.0,4718 = 0,076 (m) 0,785.20 Chọn d = 80(mm) Bảng XIII.26/412[2] Nồi 2: W= W1 614,742 = = 0,17 (kg/s) 3600 3600 Ở nhiệt độ thđ2 = T2 = 108,42 0C ⇒ v =1,273 m3/kg Bảng I.250/312[1] Chọn d = 125 mm Bảng XIII.26/413[2] Suy ra: d = 0,17.1,273 = 0,12(m) 0,785.20 Tóm lại, chọn loại đƣờng kính ống dẫn đốt nồi d = 125 mm với đƣờng kính ngồi dn = 133 mm 4.4.2 Đƣờng kính ống dẫn thứ Nồi 1: Đƣờng kính ống dẫn thứ nồi đƣờng kính ống dẫn đốt nồi Suy d =125 mm Nồi 2: Ở = 60,7 0C v = 7,48 m3/kg W= Bảng I.250/312[1] W2 635,258 = = 0,176 (kg/s) 3600 3600 d= 7,48.0,176 = 0,289 (m) 0,785.20 29 Theo bảng XIII.26/415[2] Chọn d = 300 mm với đƣờng kính ngồi dn = 325 mm 4.4.3 Đƣờng kính ống dẫn dung dịch Chọn thép chế tạo ống dẫn dung dịch thép hợp kim X18H10T 4.4.3.1.Đƣờng kính ống dẫn dung dịch đầu vào thiết bị gia nhiệt Ta có: W = Gđ 2500 = = 0,694 (kg/s) 3600 3600 Giả sử dung dịch ban đầu có nhiệt độ t = 25 oC xđ = 15% Tra bảng I.23/35[1] ta có: r =1166,5 kg/m3 Þ v = r = = 0,857 1166,5 (m3/kg) Chọn ω = m/s 0,694.0,857.10 -3 = 0,0275 (m) Þd= 0,785.1 Chọn d = 32 mm, dn = 38 mm Bảng XIII.26/411[2] Từ thiết bị gia nhiệt vào nồi Ta có : W= Gđ 2500 = = 0, 694 (kg/s) 3600 3600 Giả sử nồi gia nhiệt tăng nhiệt độ dung dịch đầu từ 25 0C lên 100 0C Ở t = 100 0C , xđ = 15% ρ =1117 kg/m3 Bảng I.57/35[1] ( 0,694.0,895.10 -3 = 0,028 (m) 0,785.1 Þd = Chọn d = 32 mm, dn = 38 mm ) Bảng XIII.26/411[2] Từ nồi vào nồi Ta có: W = G đ - W1 2500 - 614,742 = = 0,52 (kg/s) 3600 3600 Dung dịch khỏi nồi có: x1 = 20 % nhiệt độ 121,366 oC ρ = 1154 kg/m3 (tra nội suy từ bảng 4/11[3] Þv= Þd = r = = 0,87.10-3 (m3/kg) 1154 0,52.0,87.10 -3 = 0,024 (m) 0,785.1 Chọn d = 25 mm, dn = 32 mm Bảng XIII.26/410[2] 30 Ra khỏi nồi đến thùng chứa sản phẩm Lƣu lƣợng khối lƣợng dung dịch sau khỏi nồi là: W= G đ - W - W2 2500 - 1250 = = 0,35 (kg/s) 3600 3600 Dung dịch khỏi nồi có : xc = 30% nhiệt độ 88,055 0C ρ = 1284 kg/m3 Þv= r = = 0,78.10-3 (m3/kg) 1284 0,35.0,78.10 -3 = 0,018 (m) 0,785.1 Þd = Chọn d = 20 mm, dn = 25 mm Bảng XIII.26/409[2] Tóm lại, chọn đƣờng kính ống dẫn dung dịch cho toàn hệ thống d = 32 mm, dn = 38 mm 4.4.3.2 Đƣờng kính ống tháo nƣớc ngƣng Nồi : Lƣu lƣợng khối lƣợng là: W = D 3600 = 693,336 = 0,193 (kg/s) 3600 Ta có thd1 = T1 = 142,9 oC r = 923,76 kg/m3 Þv = r = Bảng I.5/11[1] =1,083.10-3 (m3/kg) 923,76 0,193.1,083.10 -3 = 0,016 (m) Þd= 0,785.1 Chọn d = 20 mm , dn = 25 mm Bảng XIII.26/410[2] Nồi : Lƣu lƣợng khối lƣợng là: W= W1 614,742 = = 0,171 (kg/s) 3600 3600 Ta có thd2 = T2 = 108,42 oC ρ = 952,2 kg/m3 Þv = Þd= r = Bảng I.5/11[1] =1,05.10-3 (m3/kg) 952,2 0,171.1,05.10 -3 = 0,015 (m) 0,785.1 Chọn d = 20 mm , dn = 25 mm Bảng XIII.26/410[2] Vậy, chọn đƣờng kính ống dẫn nƣớc ngƣng cho tồn hệ thống d = 20 mm, dn = 25mm 31 Bảng Đường kính loại ống dẫn Đƣờng kính d (mm) Đƣờng kính ngồi dn (mm) Ống dẫn đốt 125 133 Ống dẫn thứ nồi 125 133 Ống dẫn thứ nồi 300 325 Ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị gia nhiệt 32 38 Ống dẫn dung dịch 32 38 Ống tháo nƣớc ngƣng 20 25 Ống dẫn Chiều dày vỉ ống 4.5 Buồng đốt có vỉ ống cố định đƣợc hàn vào mặt mặt dƣới Chiều dày vỉ ống phải đảm bảo giữ chặt ống truyền nhiệt ống tuần hoàn, bền dƣới tác dụng loại ứng suất, chống đƣợc ăn mòn Chọn phƣơng pháp gắn ống vào vỉ phƣơng pháp nong Chiều dày tối thiểu: ( đƣờng kính ngồi ống truyền nhiệt, ) = 25mm Để giữ nguyên hình dạng vỉ ống sau nong cần đảm bảo tiết diện dọc giới hạn thành lỗ gần phải lớn tiết diện nhỏ cho phép : ( − ) ⇒ Với: = t = 30mm − − Vậy: bề dày vỉ ống 4.6 − Chiều dày lớp cách nhiệt Để nhiệt truyền qua thành thiết bị hay ống dẫn ngồi khơng khí khơng làm tổn thất nhiệt lƣợng, ta phải bọc thiết bị hay ống dẫn vật liệu dẫn nhiệt gọi lớp cách nhiệt 4.6.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn Bề dày lớp cách nhiệt bọc ống dẫn điều kiện cấp nhiệt ngồi khơng khí chuyển động tự do, nhiệt độ môi trƣờng xung quanh khoảng 20 oC đƣợc tính theo cơng thức: d l1,35 tT d = 2,8 n q1,5 1, 1, (m) 32 V.137/41[2] Trong đó: – dn: đƣờng kính ngồi ống dẫn (khơng kể lớp cách nhiệt) – l : hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt, W/m.độ – q : nhiệt tổn thất tính theo m chiều dài ống, W/m – tT2 : nhiệt độ mặt ống kim loại chƣa kể lớp cách nhiệt, oC Chọn chất cách nhiệt thủy tinh, với: – – l = 0,0372 W/m.độ r = 200 kg/m3 Bảng I.126/128[1] Bảng I.1/8[1] 4.6.1.1 Ống dẫn đốt Bảng Ống dẫn đốt Nồi Nồi dn (mm) 133 133 tT2 (oC) 142,9 108,42 λ (W/m.độ) 0,0372 0,0372 q (W/m) tra bảng V.7- ST QTTB T2/42 100,8 80,6 Nồi 1: ® d = 2,8 1331, 2.0,03721,35.142,91,3 = 7,28 (mm) 100,81,5 Theo quy chuẩn chọn δ = mm Nồi 2: ® d = 2,8 1331, 2.0,03721,35.108,421,3 = 7,11 (mm) 80,61,5 Theo quy chuẩn chọn δ = mm 4.5.1.2 Ống dẫn thứ Nồi 1: Ống dẫn thứ nồi ống dẫn đốt nồi nên bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn thứ là: d = mm 33 Nồi 2: Bảng Ống dẫn thứ Nồi dn (mm) 325 tT2 (oC) 60,7 λ (W/m.độ) 0,0372 q (W/m) tra Bảng V.7/42[2] 95,3 Þ d = 2,8 3251, 2.0,03721,35.60,71,3 = 7,61 (mm) 95,31,5 Theo quy chuẩn chọn d = mm 4.5.1.3 Ống dẫn dung dịch Bảng 4 Ống dẫn dung dịch vào nồi từ nồi qua nồi từ nồi qua bình chứa dn (mm) 38 32 25 tT2 (oC) 100 121,366 80,055 λ (W/m.độ) 0,0372 0,0372 0,0372 q (W/m) tra Bảng V.7/42[2] 46,5 56,96 36,29 3,2 2,5 2,13 d = 2,8 d n l1,35 tT q1,5 1, 1, (mm) Theo quy chuẩn chọn d = mm 4.5.1.4 Ống dẫn tuần hoàn Nồi 1: Bề dày lớp cách nhiệt bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn dung dịch từ nồi sang bể chứa sản phẩm, d = mm Nồi 2: Bề dày lớp cách nhiệt bề dày lớp cách nhiệt ông dẫn dung dịch từ nồi sang nồi 1, δ = mm 4.6.2 Tính bề dày lớp cách nhiệt thân thiết bị Bề dày lớp cách nhiệt cho thân đƣợc tính theo cơng thức: 34 a n (tT - t kk ) = la (T -t ) da T VI.66/92[2] Trong : – tT2 : nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt phía khơng khí (40 ÷ 50 oC), chọn tT2 = 40 oC – tT1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị, trở lực nhiệt tƣờng thiết bị nhỏ so với trở lực nhiệt lớp cách nhiệt t T1 lấy gần nhiệt độ đốt, T1 =142,9 oC – tkk : nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, tkk = 25 oC – λ : hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt (bông thuỷ tinh) ( λ = 0,0372 W/mđộ) Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt đến khơng khí an = 9,3 + 0,058.tT2 VI.67/ 92[2] an = 9,3 + 0,058.40 = 11,62 W/m độ Bề dày lớp cách nhiệt: sa = la (tT - tT ) 0,0372 (142,9 - 40) = = 0,022 (m) a n (tT - t kk ) 11,62 (40 - 25) Theo quy chuẩn chọn d = 22mm Do điều kiện làm việc buồng đốt buồng bốc tƣơng tự nên ta chọn d = 22 (mm) cho buồng đốt buồng bốc nồi 4.7 Chọn mặt bích Mặt bích phận quan trọng để nối phần thiết bị nhƣ phận khác với thiết bị Cơng nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích, phƣơng pháp nối với áp suất mơi trƣờng Hệ thống đặc tính có áp suất làm việc không cao nên chọn loại bích liền để nối phận thiết bị 4.7.1 Buồng đốt Áp suất thủy tĩnh phần dƣới thân thiết bị là: P1 = g.r.H XIII.10/360[2] Trong đó: – g: gia tốc trọng trƣờng, g = 9,81 m/s – r : khối lƣợng riêng chất lỏng, kg/m Với Phđ1 = at, r = 923,76 kg/m3 Áp suất tính tốn thiết bị: Nồi 1: P = Phđ1 + P1 = 4.9,81.104 + 9,81 923,76 1,8 = 408711,7 (N/m2) Nồi 2: P = Phđ2 + P1 = 1,388 9,81.104 + 9,81 952,2 1,8 = 152976,7 (N/m2) 4.7.2 Buồng bốc Áp suất buồng bốc 35 Nồi 1: P = Pht1 + P1 = 1,436 9,81.104 + 9,81.951,41.0,4 = 144605(N/m2) Nồi 2: P = Pht2 + P1 = 0,211 9,81.104 + 9,81.982,87 0,4 = 24556 (N/m2) Theo bảng tra XIII.26/419 − 420[2] Bảng Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc Kích thƣớc ống nối Thiết bị P.10 (N/m 2) Bu-lông h Dt D (mm) Db Di Do db Z mm Cái Buồng đốt 0,408 600 740 690 650 611 M20 20 20 Buồng bốc 0,246 900 1030 980 950 911 M20 24 20 Chọn bích để nối phận với ống dẫn, chọn bích liền kiểu (Theo Bảng XIII.26/419 − 420[2] Bảng Kích thước bích nối ống dẫn Kích thƣớc ống nối Dy Bu-lơng Dn h D Ống dẫn Db D1 db Z mm Hơi đốt 125 133 235 200 178 M16 14 Hơi thứ nồi1 125 133 235 200 178 M16 14 Hơi thứ nồi 300 325 435 395 365 M20 12 22 NL vào TBGN 32 38 120 90 70 M12 12 Dung dịch 32 38 120 90 70 M12 12 Tháo nƣớc ngƣng 20 25 90 65 50 M10 12 4.8 Chọn tai treo Chọn tai treo thép CT3 cho buồng đốt Tải trọng cho tai treo đƣợc tính theo cơng thức : G1T = G max ,N Gmax : trọng lƣợng lớn thiết bị, N 36 8-68/191[4] Gmax = Gthân(bđ+bb) + Gnắp + Gđáy + Gcách nhiệt + Glỏng + Ghơi + Gbích + Gống + Gvỉ 4.8.1 Khối lƣợng đáy buồng đốt Ứng với chiều dày đáy buồng đốt S = mm, đƣờng kính Dt = 0,6 m Chiều cao gờ h = 0,025 m Khối lƣợng đáy thiết bị Bảng XIII.11/384[2] Gđáy = 28 kg 4.8.2 Khối lƣợng thân buồng đốt Bề dày buồng đốt S = mm Khối lƣợng thân buồng đốt M đ = r p H ( Dn2 - Dt2 ) Chiều cao buồng đốt H = 1,8 m Khối lƣợng riêng vật liệu CT3: ρ = 7850 kg/m3 Bảng XII.7/313[2] Dn = Dt + 2.S = 0,6 + 2.0,003 = 0,606 (m) Þ M đ = 7850 3,14.1,8 (0,606 - 0,6 ) = 80,26(kg) 4.8.3 Khối lƣợng nắp buồng bốc Ứng với chiều dày nắp buồng bốc S = mm, đƣờng kính Dt = 0,8 m chiều cao gờ h = 0,025 m Khối lƣợng nắp thiết bị: Gđáy = 24,2 kg Bảng XIII.11/384[2] 4.8.4 Khối lƣợng thân buồng bốc Với bề dày buồng bốc S = mm Khối lƣợng thân buồng bốc : M bc = r p H ( Dn2 - Dt2 ) Chiều cao buồng bốc H = m Khối lƣợng riêng vật liệu CT3: r = 7850 kg/m3 Bảng XII.7/313[2] Dn = Dt + 2.S = 0,9 + 2.0,002 = 0,904 m Vậy : M bc = 7850 3,14.3 (0,904 - 0,92 ) = 133, kg 4.8.5 Khối lƣợng lớp cách nhiệt M cachnhiet = r p H ( Dn'2 - Dt' ) - Buồng đốt: Chiều cao H = 1,8 m Đƣờng kính D’t = 0,606 m 37 Đƣờng kính ngồi D’n = D’t + 2.S = 0,606 + 2.0,022 = 0,65 (m) Khối lƣợng thủy tinh r = 200 kg/m3 Þ M cachnhiet = 200 3,14.1,8.(0,65 - 0,606 ) = 15,62 (kg) - Buồng bốc: Chiều cao H = m Đƣờng kính D’t = 0,904 m Đƣờng kính ngồi D’n = D’t + 2.S = 0,904 + 2.0,022 = 0,948 (m) Khối lƣợng riêng bơng thủy tinh r = 200 kg/m3 Þ M cachnhiet = 200 3,14.3.(0,9482 - 0,904 ) = 38,38 (kg) Nên khối lƣợng lớp cách nhiệt: M cachnhiet = 15,62 + 38,38 = 54 (kg) 4.8.6 Khối lƣợng cột chất lỏng Áp dụng công thức: M long = r max n.H p Dt2 Chiều cao cột lỏng H = 1,8 m Khối lƣợng riêng lớn chất lỏng r max = 1162,935 kg/m3 Tổng số ống truyền nhiệt 165 ống Đƣờng kính Dt = 0,032 m Þ M long = 1126,935 165.1,8.3,14.0, 0322 = 269 kg 4.8.7 Khối lƣợng cột Áp dụng công thức: M hoi = r max H p Dt2 Chiều cao cột H = m Khối lƣợng riêng lớn chất lỏng r max = 2,12 kg/m3 (Ứng với P = at tra bảng I.251/315[1]) Đƣờng kính Dt = 0,9 m Þ M hoi = 2,12 3.3,14.0,9 = (kg) 4.8.8 Khối lƣợng bích Chọn vật liệu làm bích thép hợp kim X18H10T Áp dụng cơng thức: p M bích = n .( D - Dn2 ).h.r n: số lƣợng bích Khối lƣợng riêng vật liệu làm bích X18H10T: ρ = 7900 kg/m3 38 Tra bảng XIII.26/409[2] bích nối phận thiết bị ống dẫn (bích liền kim loại đen) Tra bảng XIII.27/417[2] bích liền nối thiết bị Bảng Khối lượng bích Bích Khối lƣợng n D Dn h Buồng đốt 0,74 0,6 0,02 46,56 Buồng bốc 1,03 0,9 0,02 62,27 Hơi đốt 0,235 0,133 0,014 6,52 Hơi thứ 0,435 0,325 0,022 22,82 Ống dẫn dung dịch 0,12 0,038 0,012 3,86 Tháo nƣớc ngƣng 0,09 0,025 0,012 1,1 Tổng khối lƣợng bích (kg) M 143,13 4.8.9 Khối lƣợng ống truyền nhiệt Chọn vật liệu ống truyền nhiệt thép hợp kim X18H10T, rthép = 7900 kg / m3 Khối lƣợng toàn ống truyền nhiệt: bố trí 241 ống truyền nhiệt kể hình viên phân (Bảng V.11/48[2]) p M ong = n ( Dn2 - Dt2 )h.r = 241 3,14 (0,025 - 0,0212 ).1,8.7900 = 494,99 (kg) 4.8.10.Khối lƣợng vỉ ống Chọn thép chế tạo vỉ ống thép hợp kim X18H10T Thể tích thép làm vỉ ống bao gồm bích: Tổng diện tích lỗ: S ong = n.p Dn2 0,025 = 217.3,14 = 0,106(m ) 4 Diện tích vỉ: S vi = p Dn2 0,74 = p = 0,43(m ) 4 Diện tích cịn lại: Scl = 0,43 − 0,106 = 0,324 (m2) Khối lƣợng vỉ bích: M vi = n.Scl h.r = 2.0,324.0,01.7900 = 51, 2(kg) h = 10 mm: chiều dày vỉ ống 39 Tóm lại, tổng tỉ trọng tác dụng lên tai treo: G = [M thân (đốt + bốc) + Mnắp + Mđáy + Mcách nhiệt + Mlỏng + Mhơi + Mbích + Mống + Mvỉ] 9,81 = (80,26 + 133,4 + 24,2 + 28 + 47,84 + 269 + + 143,13 + 494,99 + 51,2 ).9,81 = 12517,8 N Vậy tải trọng tai treo : G1 = G 12517,8 = = 0,32.104 N 4 Þ Chọn theo bảng XIII.36/438[2] với tải trọng tai treo lấy 0,5.104 N (tai treo thiết bị thẳng đứng) Bảng Các thông số tai treo Tải trọng cho phép lên tai treo (G.10-4, N) Tải trọng cho phép lên Bề bề mặt mặt đỡ đỡ (G.10-6, (F.10 , N/m2) m2) L B B1 H s l a d Khối lƣợng tai treo mtt (kg) (mm) 0,5 72,5 0,69 100 75 85 40 155 40 15 18 1,23 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN Sau thời gian cố gắng tìm đọc, tra cứu tài liệu tham khảo, với giúp đỡ tận tình thầy mơn thầy hƣớng dẫn em hồn thành nhiệm vụ đồ án thiết kế đƣợc giao Qua trình tiến hành em rút đƣợc số nhận xét sau: – Việc thiết kế tính tốn hệ thống đặc việc làm phức tạp, địi hỏi tính tỉ mỉ lâu dài Nó khơng u cầu ngƣời thiết kế phải có kiến thức thực sâu q trình đặc mà phải biết số lĩnh vực khác nhƣ: Cấu tạo thiết bị phụ khác, quy chuẩn vẽ kĩ thuật… – Cơng thức tính tốn khơng cịn gị bó nhƣ mơn học khác mà đƣợc mở rộng dựa giả thiết điều kiện, chế độ làm việc thiết bị Bởi tính tốn, ngƣời thiết kế tính tốn đến số ảnh hƣởng điều kiện thực tế, nên đem vào hoạt động hệ thống làm việc ổn định – Khơng có vậy, việc thiết kế đồ án mơn q trình thiết bị cịn giúp em củng cố thêm nhƣng kiến thức trình đặc nói riêng q trình khác nhằm nâng cao kĩ tra cứu tính tốn sử lý số liệu Viêc thiết kế đồ án học phần hội cho sinh viên ngành hóa nói chung thân em nói riêng làm quen với cơng việc kỹ sƣ hóa học Để hồn thành nhiệm vụ thiết kế đƣợc giao chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Hoài Đức giáo viên hƣớng dẫn trực tiếp tận tình giúp đỡ cung cấp kiến thức trình thiết bị chủ yếu Mặc dù chúng em cố gắng hoàn thành tốt nhiệm vụ nhƣng khơng tránh khỏi thiếu sót q trình tính tốn thiết kế Em mong đƣợc thầy xem xét dẫn thêm Chúng em xin chân thành cảm ơn! 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên – Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập - NXB KHKT Hà Nội, 1992 [2] TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toản – Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập – NXB KHKT Hà Nội [3] Bộ môn Máy Thiết bị – Bảng tra cứu Quá trình học, Truyền nhiệt Truyền khối – NXB ĐHBK T.p Hồ Chí Minh, 2012 [4] Hồ Lê Viên – Tính tốn, thiết kế thiết bị hố chất dầu khí, NXB KHKT Hà Nội, 2006 [5] Phạm Văn Bơn (chủ biên) – Nguyễn Đình Thọ, Quá trình & Thiết bị CNHH – Tập – Quá trình Thiết bị Truyền nhiệt, NXB Đại Học Quốc gia TpHCM, 9/2004 [6] Phạm Văn Thơm – Sổ tay thiết kế hóa chất thực phẩm, Bộ Giáo dục Đào tạo, 1992 [7] Bộ môn QTTB CN Hoá Thực phẩm – Tài liệu hƣớng dẫn thiết kế đồ án môn học QTTB CNH TP (thiết kế hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều), ĐHBK HN, 2012 42 ... (1663K) dƣới áp suất khí NaOH tan tốt nƣớc (1110 g/l 20 oC) hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH tan dung mơi hữu nhƣ metanol, etanol… NaOH rắn dung dịch NaOH dễ hấp thụ CO từ khơng khí nên chúng cần đƣợc... 2,45.10 -3 m cos a [s ]j cos 45 0.1,462.108.1 Đại lƣợng tính theo CT XIII.52 lớn hơn, ta chọn kết Đại lƣợng (S d – C) = 0,95 mm < 10 mm nên ta tăng thêm mm so với (trang386[2]) Do C = (1,5 +... nhiệt (trang 75[2]) Chọn fth = 0,2.FD = 0,2.0,118 = 0,0236 (m2) trang 121[6] Đƣờng kính ống tuần hoàn: Dth = fth p = ´ 0, 0236 p = 0,173(m) Chọn theo tiêu chuẩn: Dth = 0,25 m III-26/121[6] trang 291[5]