IV, TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
2, Buồng bốc hơi
Nhiệm vụ của buồng bốc là tạo không gian hơi và khả năng thu hồi bọt.
2.1 Thể tích phòng bốc hơi
(m3) [4-71]
Trong đó:
W: lượng hơi bốc lên trong thiết bị (W=W1 = 3360,24 (kg/h) : khối lượng riêng của hơi thứ, �h= 0,857 (kg/m3)
cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích hơi bốc trên một đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trong một đơn vị thời gian), m3/m3.h.
Cường độ bốc hơi thứ phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch và áp suất hơi thứ. Ở điều kiện áp suất P = 1 at thì Utt(1at) = 1600 → 1700 m3/m3.h.
Chọn Utt(1at) = 1618,54 là cường độ bốc hơi ở P = 1 at. Khi P 1at thì Utt = f.Utt(1at)
f: hệ số hiệu chỉnh tra ở đồ thị VI.3 [4-72]
Pht = 1,78 at => f = 0,9 => Utt = 0,85.1618,54 = 1375,76 m3/m3.h. (m3)
2.2 Chiều cao và đường kính trong phòng đốt hơi
Chọn H = 3 m, suy ra Dtrbb =
2.3 Chiều dày phòng bốc hơi
Vật liệu chế tạo là thép X18H10T, tương tự thân buồng đốt. Chiều dày được tính theo công thức:
(m) (*)
Trong đó:
Dtr: đường kính trong, Dtr = 1,1 m
: ứng suất cho phép của vật liệu, = 132.106 (N/m2)
: hệ số hàn bền của thanh trụ theo phương dọc, hàn bằng tay C: hệ số bổ sung, (C = 1,4 mm)
P: áp suất hơi thứ P = Pht = 1,65 at =161865 (N/m2) Ta thấy hệ số nên bỏ qua hệ số P ở mẫu
Thay số ta có:
Quy chuẩn chọn S = 4 mm
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thủy lực:
=< (N/m2)
Po = 1,5.Pht + as cột nước =1,5. 161865= 261927 (N/m2)
(N/m2)
Vậy chiều dày buồng bốc S = 4 mm là hợp lí.
2.4 Chiều dày nắp buồng bốc
Nắp buồng bốc dạng elip có giờ, vật liệu chế tạo bằng thép X18H10T. Chiều dày nắp buồng bốc được tính theo công thức sau:
(m) (*)
Trong đó:
P: áp suất trong buồng bốc, P = Pht = 1,65 at = 161865 (N/m2) Dtr: đường kính trong phòng bốc hơi, Dtr = 1,1 (m)
: ứng suất cho phép của vật liệu
: hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm: = 0,95
: chiều cao phần lồi của nắp (dựa vào bảng XIII.10 [4-382], với Dtr = 1,1 m thì hb = 0,275 m)
k: hệ số bền của nắp,
d: đường kính của lỗ thoát hơi thứ, (m) V: lưu lượng hơi ra khỏi nồi: V = (m3/h)
w: vận tốc hơi nước bão hòa ra khỏi buồng bốc (w = 20 - 40 m/s), chọn w = 30 m/s
Quy chuẩn theo bảng XII.26 [4-415] ta được d = 250 mm Tính lại: nằm trong vận tốc khuyến cáo.
Xét > 30 nên bỏ qua hệ số P ở mẫu số biểu thức (*) (m)
Do S – C = 1 mm < 10 mm nên phải tăng giá trị C lên thêm 2mm, C = 1 + 2 = 3 mm S = (m)
Quy chuẩn S = 5 m .Lấy C = 5(mm)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thủy lực: (N/m2) (N/m2)
(N/m2)
Vậy độ bền được đảm bảo, chọn chiều dày nắp buồng bốc S = 5 mm
2.5 Tra bích để lắp nắp vào thân buồng bốc
Tra bảng XIII.27 bích liền bằng thép để nối thiết bị [4-42], ta có bảng
Kích thước nối Kiểu bích
Pb.106 Dt D Db D1 Do Bu lông 1
(mm) (mm) (mm) (mm)
Db z H
(mm) (cái) (mm)
0,3 1100 1240 1190 1160 1113 M20 28 22
3 Tính toán các chi tiết khác
3.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào ra và tra bích để nối các ống dẫn
Đường kính ống dẫn dung dịch vào được tính theo công thức: [4-74]
Trong đó:
vận tốc thích hợp của hơi hay chất lỏng đi trong ống, m/s V: lưu lượng chảy trong ống (m3/s)
khối lượng riêng của dung dịch hay hơi trong ống (kg/m3)
a) Ống dẫn hơi đốt vào:
D: lượng hơi đốt đi vào nồi 1, D = 3692,03(kg/h)
: khối lượng riêng của hơi đốt đi vào ống, tra bảng I.251 [3-315], với Phđ = 4,8 at thì (kg/m3)
V = (m3/h)
Do đó,
Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [4-413] ta được d = 150 mm Tính lại
Vận tốc thực tế nằm trong khuyến cáo nên d = 150 mm thỏa mãn. Tra bích của buồng bốc, bảng XIII.26 [4-413]:
Kích thước nối Kiểu bích
Pb.10-6 Dy Dn D D1 Bu lông 1 (mm) Db z h (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (cái) (mm) 0,25 150 159 260 225 202 M16 8 16
Tra bảng XIII.32 [4-434] kích thước chiều dài đoạn ống nối : l=130mm
b) Ống dẫn dung dịch vào:
Gđ: lưu lượng dung dịch đầu, Gđ = 8500 kg/h
: khối lượng riêng của dung dịch đầu, dung dịch vào có nồng độ đầu 5%, tra bảng I.29 [3-37] và nội suy, ta được (kg/m3)
�: là vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, với dung dịch NH4NO3 là chất lỏng có độ nhớt vừa phải, � = (0,5 ÷ 1) m/s chọn � = 0,7 (m/s)
V: lưu lượng lỏng chảy trong ống, V=(m3/h) Do đó, dtr =
Quy chuẩn theo bảng XII.26 [4-412], dtr = 70 mm
Tính lại
nằm trong khuyến cáo nên chọn d = 100 mm Tra bích của buồng bốc, bảng XIII.26 [4-413]
Pb.10-6 Dy Dn D D1 Bu lông 1 (N/m2) (mm) Db z h (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (cái) (mm) 0,25 70 76 160 130 110 M12 4 14 c) Ống dẫn hơi thứ ra
Như đã tính ở phần chiều dày nắp buồng bốc, đường kính ống dẫn hơi thứ ra là d = 250 mm
Tra bích ống nối dẫn hơi thứ với hệ thống bên ngoài, bảng XIII.26 [4-414]:
Kích thước nối Kiểu bích
Pb.10-6 Dy Dn D D1 Bu lông 1 (N/m2) (mm) db z h (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (cái) (mm) 0,25 250 273 370 335 312 M16 12 22 d) Ống dẫn dung dịch ra
Đã tính ở phần chiều dày đáy lồi buồng đốt, đường kính ống dẫn dung dịch ra d = 0,07 m = 70 mm
Tra bích nối ống dẫn dung dịch với hệ thống bên ngoài, bảng XIII.26 [4-412]:
Kích thước nối Kiểu bích
Pb.10-6 Dy Dn D D1 Bu lông 1 (N/m2) (mm) db z h (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (cái) (mm) 0,25 70 76 160 130 110 M12 4 14
e) Ống tháo nước ngưng:
Vì nước ngưng là chất lỏng ít nhất nên � = 1 ÷ 2 (m/s), chọn � = 1,5 (m/s). Coi lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt vào,
V = (m3/h)
Nhiệt độ nước ngưng coi bằng nhiệt độ hơi đốt, Tng = 149,46oC, tra bảng I.5 [3-11], được (kg/m3)
Do đó:
Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [4-411], ta được d= 0,04 m = 40 mm Tra bích của buồng bốc bảng XIII.26 [4-412]
Tính lại
nằm trong khuyến cáo nên chọn d = 40 mm a) Ống tuần hoàn ngoài
Tiết diện của ống tuần hoàn ngoài lấy 20% tiết diện của tất cả các ống trong buồng đốt Tổng tiết diện của ống là:
Sống = n..dống2 = 241. .0,0342 = 0,22 m2 Tiết diện của ống tuần hoàn ngoài là:
S = Sống.20% = 0,044 m2
Đường kính của ống tuần hoàn ngoài là: S = .d2 ⇒ d = 0,236 m
Chọn đường kính ống tuần hoàn ngoài d = 250 mm
4 Tính và chọn tai treo, chân đỡ
Tính khối lượng mỗi nồi khi thử thủy lực:
Gtl = Gnk + Gnd (N)
Trong đó:
Gnk: khối lượng nồi không
Gnd: khối lượng nước được đổ đầy trong nồi
4.1 Tính khối lượng nồi không Gnk
a) Khối lượng đáy buồng đốt và nắp buồng bốc (m1 và m2)
Tra bảng XIII.11 chiều dày và khối lượng đáy và elip có gờ với đáy buồng đốt: Dtr = 1000 mm, S = 5 mm, h = 25 mm ta được m1 = 38 (kg)
Dtr = 1100 mm, S = 5 mm, h = 25 mm ta được m2 = 54,4 (kg)
b) Khối lượng thân buồng đốt (m3):
m3= .V3 (kg) Trong đó:
: khối lượng riêng của thép X18H10T, =7900 kg/m3 tra từ bảng XII.7 [4-313]
Pb.10-6 (N/m2)
Dy (mm)
Kích thước nối Kiểubích
Dn (mm) (mm)D (mm) D1 (mm) Bu lông 1 db (mm) z (cái) h (mm) 0,25 40 45 130 1000 80 M12 4 12
V3: thể tích thân buồng đốt.
V3 = H. . (Dn2 – Dtr2) (m3) H: chiều cao buồng đốt: 4 m
Dtr: đường kính trong buồng đốt, Dtr= 1 m
Dn: đường kính ngoài buồng đốt, Dn= Dtr+ 2.S =1 + 2.4.10-3 = 1,008 m m3 = 7900.4..(1,0082 – 12) = 398,68 (kg)
c) Khối lượng thân buồng bốc (m4)
m4 =.V4 (kg)
Trong đó:
: khối lượng riêng của thép X18H10T, =7900 kg/m3 V4: thể tích thân buồng bốc, V4=H. . (Dn 2 – Dtr2) H: chiều cao buồng bốc: 3 m
Dtr: đường kính trong buồng bốc, Dtr= 1,1 m
Dn: đường kính ngoài buồng bốc, Dn= Dtr + 2.S =1,1+2.4.10-3 = 1,108 m m4 = 7900.3.. (1,1082 – 1,12) = 328,64 (kg)
d) Khối lượng 4 bích ghép lắp vào thân buồng đốt (m5)
m5 = 4. .V5 (kg)
V4 = h. .(D2 – D02 – z.db2) (m3) V4 = 0,03. .(1,352 – 1,2132 – 28.0,0242) = 0,005 (m3) m5 = 4.7900. 0,005 = 39,5 (kg)
e) Khối lượng 2 bích ghép thân buồng bốc với nắp buồng bốc (m6)
m6 = 2. .V6 (kg) V6 = h. .(D2 – D02 – z.db2) (m3)
V6 = 0,022. . (1,752 – 1,6132 – 28.0,0242) = 0,0038 (m3) m6 = 2.7900.0,0038= 30,02 (kg)
f) Khối lượng hai lưới đỡ ống (m7):
m7 = 2. .V7 (kg) Trong đó:
: khối lượng riêng của thép X18H10T, = 7900kg/m3 V7: thể tích lưới đỡ ống
V7 = S. . (Dtr2 – n.dn2) (m3) S: chiều dày lưới đỡ ống, S =15 mm
Dtr: đường kính trong buồng đốt, Dtr = 1 m n: số ống truyền nhiệt, n = 223 ống
dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn= 38mm V7 = 0,015..(12 - 223.0,0382) = 0,079(m3)
m7 = 2.7900.0,079 = 1248,2 (kg)
g) Khối lượng các ống truyền nhiệt (m8)
m8 = n. .V8 (kg)
Trong đó:
: khối lượng riêng của thép X18H10T, = 7900 (kg/m3) n: số ống truyền nhiệt, n=223 ống
V8= h. .(dn2 – dtr2) = 5. .(0,0382 – 0,0342) = 1,13.10 -3 (m3) m8= n. .V8 = 223.7900. 1,13.10 -3 = 1990,72 (kg)
h) Khối lượng phần nối ống tuần hoàn và thân buồng bốc (m9):
m9= .V9 (kg)
: khối lượng riêng của thép X18H10T, = 7900 kg/m3 V9: thể tích phần nón cụt
V= h. . [ (Dn2 + dn2 +Dn.dn) – (Dtr2 + dtr2+Dtr.dtr) ] Dtr: đường kính to trong phần nón cụt, Dtr = 1,1 m Dn: đường kinh to ngoài phần nón cụt, Dn = 1,124 m dtr: đường kính nhỏ trong của phần nón cụt, dtr = 0,25 m dn: đường kính nhỏ ngoài của phần nón cụt, dn = 0,274 m H: chiều cao phần nón cụt, h= 0,675m
Thay vào ta có V= 0,017 (m3) Vậy m9 = 7850. 0,034= 133,45 kg
i) Tổng trọng lượng nồi chưa tính bu lông, đai ốc là:
Gnk= g. (N)
Gnk= 9,81.(38+54,4+358,66+328,64+39,5+30,02+1248,2+1990,72+133,45) = 41414,78 (N)
4.2 Tính trọng lượng nước đầy nồi Gnd: Thể tích không gian nồi:
V= .(Dtrbb2.hbb + Dtrbd2.hbđ + Dtrtb2. hnc) (m3) Trong đó:
hbb: chiều cao buồng bốc, hb= 3 m
Dtrbb: đường kính trong buồng bốc, Dtrbb= 1,1 m Hbđ: chiều cao buồng đốt, hd= 4 m
Dtrbd: đường kính trong buồng đốt, Dtrbd= 1 m V = .( 1,12.3+12.4) = 5,95 (m3)
Trọng lượng nước chứa đầy trong nồi là:
Gnd= g. .V= 9,81.1000. 5,95 = 58369,5 (N)
4.3 Khối lượng nồi khi thử thủy lực là:
Gtl= Gnk + Gnd =41414,78+58369,5 = 99784,28 (N)
Ta chọn số tai treo là 4 và 4 chân đỡ khi đó tải trọng một tai treo hoặc một chân đỡ phải chịu là:
G = (N)
Tra bảng XIII.36 [4-438] tai treo thiết bị thằng đứng:
Tải trọng cho phép trên một tai treo G.10-4 (N) 2,5
Bề mặt đỡ F.10-4 (m2) 173
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10-6 (N/m2) 1,45
L Mm 150
B1 130 H 215 S 8 L 60 A 20 D 30
Khối lượng một tai treo Kg 3,48
Tra bảng XIII.35 [4-437] chân thép đối với thiết bị thẳng đứng: Tải trọng cho phép một chân đỡ L B B1 B2 H h s l d 2,5 250 180 215 290 350 185 16 90 27 5 Chọn kính quan sát
Ta chọn kính quan sát làm bằng thủy tinh silicat dày: δ = 15mm, đường kính d = 300mm. Áp suất làm việc nhỏ hơn 6 at. Chọn bích kiểu 1, bảng XIII.26 [4 – 415], bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị:
Py.10-6 (N/m2)
Dy (mm)
Ống Kích thước nối Kiểu
bích Dn (mm) D (mm) Dδ (mm) D1 (mm) Bu long 1 db Z (cái) h (mm) 0,6 300 325 435 595 365 M20 12 24
6 Tính bề dày lớp cách nhiệt
Bề dày lớp cách nhiệt cho thiết bị được tính theo công thức: ��(��2 − ���) = [4-92]
Trong đó:
- tT1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị vì trở lực tường trong thiết bị rất nhỏ so với trở lực của lớp cách nhiệt cho nên tT có thể lấy gần nhiệt độ hơi đốt, tT1 = 151,1 oC
- tT2: nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí, khoảng 40 – 50oC, chọn tT2 = 45oC
- tkk: nhiệt độ môi trường xung quanh, tra bảng VII.1 [4 – 98], chọn tkk = 23,4 oC, lấy nhiệt độ trung bình cả năm tại Hà Nội.
- ��: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, chọn vật liệu cách nhiệt là bông thuỷ tinh �� = 0,05 W/m.độ
- ��: hệ số cách nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí: �� = 9,3 + 0,058.tT2 [2 – 92] �� = 9,3 + 0,058.45 = 11,91 (W/m2.độ) Thay số vào (*):
PHẦN V, TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Bin, Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004
2. Nguyễn Bin, Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004
3. Tập thể tác giả, Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006
4. Tập thể tác giả, Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất tập 2, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006
5. Phạm Xuân Toàn, Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 3, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2007
6. Bộ môn Quá trình – thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, Những quy định về thiết kế đồ án môn học quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (phần cô đặc).
PHẦN VI, KẾT LUẬN
Qua quá trình tính toán, và thực hiện đồ án em rút ra được một số nhận xét:
- Việc thiết kế tính toán dây chuyền công nghệ là một công việc tương đối phức tạo đòi hỏi nhiều công sức và thời gian, biết vận dụng tốt các kiến thức đã học và tìm hiểu ở tài liệu thao khảo.
- Nhiều kết quả còn lấy tương đối, chưa thực sự chính xác.
- Em đã biết các sử dụng tài liệu tham khảo: như tìm đọc, tra cứu,..
- Làm đồ án đã giúp em nâng cao khả năng tính toán và trình bày theo phong cách khoa học.
Em xin cảm ơn giáo viên hướng dẫn PGS.TS Vũ Thị Phương Anh cùng các thầy cô trong bộ môn đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên trong phạm vi khuôn khổ đồ án, dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh được những sai sót. Em kính mong sự góp ý chỉ dẫn của các thầy cô.