- Tổng hợp phần kết quả:
4.14. Khối lượng dung dịch trong tháp
Thể tích dung dịch trong phần hình nón cụt: Vc = � × �� 2 + ���đ+ �đ2 12 × Hc + � 4 × �đ2 × Hgc = � × 2.22 + 2.2 × 1.8 + 1.812 2 × 0.45 + �4× 1.82× 0.0497 = 1.54 (m3) Trong đó: Db: đường kính trong của buồng bốc, m
Dđ: đường kính trong của buồng đốt, m
Hc: chiều cao của phần hình nón cụt không có gờ, m Hgc: chiều cao của gờ nón cụt, m
Thể tích dung dịch trong thiết bị:
Vdd= Vc+ Vống TN+ Vống TH+ Vđ = 1.54 + 0.32 + 0.057 = 1.917 (m3) Trong đó: Vc: thể tích dung dịch trong phần hình nón cụt, m3
VốngTH: thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm; m3
VốngTN: thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt; m3
Vđ: thể tích dung dịch trong đáy nón; m3
Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch trong thiết bị:
mddmax=ddmax× Vdd= 2160 × 1.917 = 4140.72 (kg) Tổng tải trọng của thiết bị:
Chọn 4 tai treo thẳng đứng, được làm bằng thép CT3 Trọng lượng trên mỗi tai treo:
G = g × M
4 = 9.81 × 13152.754 = 32257.12 (N) Các thông số của tai treo được chọn từ bảng XIII.36, st.QTTB, t.2/438:
Bảng 4.7. Thông số tai treo của thiết bị nằm đứng
G.10-4 F.10-4 q.10-6 L B B1 H S l a d mt
N/mm2 m2 N/m2 mm Kg
4 297 1.34 190 160 170 280 10 80 25 30 7.35
Trong đó: G: tải trọng cho phép trên một tai treo, N F: bề mặt đỡ, N
q: tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ, N/m2
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 5.1. Thiết bị ngưng tụ:
5.1.1. Chọn thiết bị ngưng tụ
Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm: Hơi nước (chủ yếu)
Dung môi dễ bay hơi Khí không ngưng
Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không. Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất.
Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet). Trong đó,nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phận tách lỏng.
Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thuỷ tĩnh bằng với áp suất khí quyển.
5.1.1.1. Tính thiết bị ngưng tụ
Theo bảng (VII.1, trang 97, [2]): nhiệt độ không khí trung bình ở TPHCM là
t = 27.2℃ độ ẩm tương đối là φ = 77 %. Theo giản đồ h – x của không khí ẩm, h = 72.5 kJ/kg không khí ẩm.
Nhiệt độ bầu ướt được chọn là tư= 23oC.
Nhiệt độ đầu của nước lạnh được chọn là t2d= 23 + 3 = 26oC. Với pc= 0.65 at và tc = 88.5oC:
Nhiệt độ cuối của nước lạnh được chọn là t2c= tc– 10 = 88.5 – 10 =78.5oC.
Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng không khí cần hút được tính theo công thức (VI.47, trang 84, [2]):
Gkk = 0,000025. W + 0,000025. Gn + 0,01. W; kg/s.
Gn– lượng nước được tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, được tính theo công thức (VI.51, trang 84, [2]):
Gn = W. i− cnt2c cn t2c− t2đ
Với: W = 7200 kg/h – lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ.
i = 2657.5 kJ/kg – nhiệt lượng riêng của hơi nước.(bảng I.251,trang314,[1]) cn= 4186 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình của nước.
⇒ Gn = 7200 3600 × (2657500 − 4186 × 78.5) 4186 × (78.52 − 26) = 21.19 kg/s ⇒ Gkk = 0,000025 × 7200 3600 + 0,000025 × 21.19 + 0,01 × 7200 3600 = 0,02kg/s.
Đối với thiệt bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí được tính theo công thức (VI.50, trang 84, [2]):
��� = �2� + 4 + 0,1. (�2�– �2�) = 26 + 4 + 0,1 × (78.5– 26) = 35.25 ℃. ⇒ph= 0,055 at (tra giản đồ h – x của không khí ẩm)
Thể tích không khí cần hút được tính theo công thức (VI.49, trang 84, [2]): ��� = 288. Gkk. 273 + �� − � �� ℎ =288 × 0.02 × ( 273 + 35.25) 0.65 − 0,055 . 9,81. 104 = 0,03 �3/s. Thể tích không khí cần hút ở 0oC và 760 mmHg Vkk = 0.001 × 0.02 × W + Gn + 8W = 0.001 × 0.02 × 72003600+ 21.19 + 8 ×72003600 = 0.016 �3
5.1.1.2. Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ:
Thông thường, năng suất tính toán được chọn lớn hơn 1,5 lần so với năng suất thực tế. Khi đó, đường kính trong của thiết bị được tính theo công thức (VI.52, trang 84, [2]):
Dtr = 1,383 ρW hωh
ρh = 0,3868 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở 0.65 at tra (bảng I.251, trang 314, [1]).
Chọn ωh= 35 m/s – tốc độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ ( nếu áp suất làm việc khảng 0.2-0.4 at thì ta có thể chọn ωh=35-15 m/s)
⇒ ��� = 1,383
7200 3600
0.3868 × 35 = 0.5 m Chọn���= 0.5 m = 500 mm.
Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet được chọn theo ( bảng VI.8, trang 88, [2]) :
Bảng 5.1. Bảng kích thước thiết bị ngưng tụ Baromet
Kích thước Ký hiệu Giá trị (mm)
Đường kính trong của thiết bị Dtr 500
Chiều dày của thành thiết bị S 5
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị ao 1300 Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến nắp thiết bị an 1200
Bề rộng của tấm ngăn b -
Khoảng cách từ giữa tâm thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi
K1 675
Chiều cao của hệ thống thiết bị K2 -
Đường kính của thiết bị thu hồi T 1300
Chiều cao của thiết bị thu hồi h1 1440
Đường kính của thiết bị thu hồi D1 400
Đường kính các cửa ra và vào D2 -
Nước vào d2 100
Hỗn hợp khí và hơi vào d3 80
Nối với ống baromet d4 125
Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi d6 50
Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet d7 50
ống thông thiết bị d8 -
5.1.2. Kích thước tấm ngăn:
Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt. Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức ( VI.53, trang 85, [2]):
b =�2��+ 50 = 5002 + 50 = 300 mm.
Trên tấm ngăn có nhiều lỗ nhỏ được đục trên tấm ngăn, nước làm nguội là nước sạch nên đường kính lỗ được chọn là d = 2 mm
Chọn chiều dày tấm ngăn là � = 4��, tùy điều kiện cụ thể mà chọn; thường trong khoảng� = 3 − 5��. Trong tính toán người ta thường lấy� = 4��
Chọn chiều cao gờ cạnh tấm ngăn là 40mm, tốc độ của tia nước là ωc= 0,62 m/s. Lưu lượng thể tích của nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ:
Nhiệt độ trung bình của nước:
ttb = �2� − �2 2đ = 78.5 + 262 = 52.25 ℃. ⇒ρn = 986.85 kg/m3(bảng I.249, trang 310, [1])
⇒ Vn = ��
�� = 21.19
986.85 = 0.021 �3/s
Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên một cặp tấm ngăn là:
f = ���
� = 21.190,62 = 34.18 �2 .
Chọn tỷ số giữa tổng số diện tích tiết diện các lỗ với diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ là f�
f tb = 0,1 . Các lỗ được xếp theo hình lục giác đều. Bước của các lỗ được xác định bằng công thức (VI.55, trang 85, [2]):
t = 0,866 × � f� f tb
0,5
f�
f tb- tỉ số giữa tổng diện tích các lỗ với diện tích của thiết bị ngưng tụ. Chọn f� f tb= 0.1 t = 0.866 × 2 × 0.10.5 ≈ 0,00055m = 0,55mm Mức độ đun nóng nước: P = ��2� − �2đ �ℎ − �2đ = 78.5 − 26 88.5 − 26 = 0.84 Tra bảng (VI.7, trang 86, [2]) với d = 2 mm và P =0.84
Bảng 5.2. Trị số mức độ đun nóng nước trong thiết bị ngưng tự baromet
Số bậc Số ngăn Khoảng cách
giữa các ngăn Thời gianrơi qua 1 bậc
Mức độ đun
nóng của tia nướcĐường kính
4 8 400 0.41 0.568 2
Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần. Do đó, khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn.
Chọn khoảng cách giữa các ngăn giảm dần từ dưới lên như sau 400 mm, 350 mm, 300 mm, 250mm, 200 mm, 150mm, 100 mm
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1300 mm. Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị là 1200 mm. Chiều cao phần gờ của nắp là 50 mm.
Chiều cao phần nắp ellipse là 125 mm. Chiều cao phần đáy nón là 175 mm. ⇒Chiều cao của thiết bị ngưng tụ:
H = 400 + 350 + 300 + 250 + 200 + 150 + 100 + 125+ 50 + 1300 + 1200 + 175 = 4600 mm.
5.1.3. Đường kính ống baromet
�� = 0.004 × �� × ��+ � = 0.004 × 21.19 + 7200 3600
� × 0.55 = 0.232 �
Với db: đường kính trong ống baramet, m
W: lưu lượng hơi ngưng, kg/s
Gn: lưu lượng nước lạnh tưới vào tháp, kg/s
: tốc độ hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống, thường lấy = 0.50.6 m/s. Chọn = 0.55 m/s
5.1.4. Chiều cao ống baromet
Theo công thức VI.59, st.QTTB, t.2/86
h1 = 10.33 × 760 = 10.33 ×� 478.22760 = 6.5 (�) Với b: độ chân không trong thiết bị ngưng tụ, b = 0.65 at = 478.22 mmHg Theo công thức VI.60, st.QTTB, t.2/87
ℎ2 =�2�2 1 + ��� � + ��
Nếu như hệ số trở lực khi vào ống �1 = 0.5 và khi ra khỏi ống �2 = 1 thì công thức VI.60 sẽ có dạng:
ℎ2 =�2�2 2.5 + ���
� =2 × 9.810.552 2.5 + 0.014 × 0.232 = 0.0388 + 0.066�� Trong đó: = 0.55 m/s vận tốc nước chảy trong ống
H: chiều cao ống baromet, m
db: đường kính trong ống baromet, db= 0.232 m : hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống
Re = � × � × �� = 0.55 × 972.3 × 0.232
0.3664 × 10−3 = 338606.66 > 105 → chế độ chảy rối
�:độ nhớt động lực của nước ở 60oC,� = 0.3664 × 10−3Ns/m2
→ � = 1
(1.8 × ����� − 1.5)2 = 1
(1.8 × ���338606.66 − 1.5)2 = 0.014 Theo công thức VI.58, st.QTTB, t.2/86
H = h1+ h2+ 0.5 = 6.5 +0.0388 + 0.066�+ 0.5 = 7.54 m Với
h1- chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ
h2 - chiều cao cột nước trong ống dẫn cần để khác phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống
5.2. Bơm
5.2.1. Bơm chân không
Công suất bơm chân không: N = VηKK
CK.m − 1 . ρm 1. (ρρ2
1)m−1m − 1 W Trong đó :
m: Chỉ số đa biến. Có giá trị 1.2 - 1.62. Chọn m=1.4 ρ1 : Áp suất không khí trong thiết bị ngưng tụ.
ρ1 = ρnt− ρh = 0.65 − 0.055 = 0.595 at= 58369.5 N/m2
ρh:áp suất hơi nước trong hỗn hợp tại nhiệt độ phòng ρ2: Áp suất khí quyển. ρ2= 1at =98100 N/m2
VKK: Lưu lượng của không khí ( Tính ở thiết bị ngưng tụ) ηCK: Hệ số hiệu chỉnh.ηCK = 0.8
Công suất bơm là
N = 0.0160.8 ×1.4 − 11.4 × 58369.5 × (58369.598100 )1.4−11.4 − 1 = 653.36 W
5.2.2. Bơm tháo liệu
N = �. ρ . g. H1000. η , kw Trong đó: H: cột áp của bơm; m
η: hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75.
ρ = 972.3 kg/m3– khối lượng riêng ở 78.5OC
Q: lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ; m3/s. Q = ��ρ =972.3 × 36001200 = 0.00034 m3/s
Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là l = 5 m. Đường kính ống dẫn dung dịch vào nồi cô đặc : d = 20 mm
Tốc độ của dòng chảy trong ống:
v = Q π × d42 = 0,00034 × 4 3,14 × 0,022 = 1.08 �3/s . Chuẩn số reynolds: ⇒ �� =�. �. �� =1.08 × 0,02 × 972.30.0013 = 16155 ≥ 4000 (�ℎế độ�ℎả� �ố�). Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1])⇒ độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm.
Reghđược tính theo công thức (II.60, trang 378, [1]): ��gh = 6 × � � 8 7 = 6 × 0.02 0.0002 8 7 = 1158.419 . Ren được tính theo công thức (II.62, trang 379, [1]):
��n = 220 × �� 8 7 = 220 × 0,00020,02 9 8 = 39122.15 . ⇒Regh < Re < Ren(khu vực quá độ).
⇒Hệ số ma sát λ ở khu vực quá độ phụ thuộc vào chuẩn số Re và độ nhám thành ống. λ được tính theo công thức (II.64, trang 380, [1]):
Các hệ số trở lực cục bộ:
Tổng hệ số tổn thất cục bộ : ∑=vào+khuỷu+van+ra Dựa theo ( bảng II.16, trang 382, [1]) ta có:
Hệ số trở lực khi gặp đoạn cong 900(có 1 đoạn) → khuỷu= 1
Hệ số trở lực khi gặp van 1 côn trong ống tròn (II.16, trang 397, [1]) →van= 1.5
Bảng 5.3. Thông số trở lực cục bộ
Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng
Đầu vào vào 0,5 1
Đầu ra ra 1 1
Khuỷu 90o khuỷu90 1 4
Van cửa van 1,5 2
⇒ ∑=vào+khuỷu+van+ra= 8,5. ⇒Tổng tổn thất trên đường ống: ℎ1−2 = 2� × ( � ×�2 � + ∑� ) = 2 × 9.81 × ( 0.038 ×0.22 0.02 + 8.5) = 0.04 m.5 Cột áp của bơm: Áp dụng phương trình Bernoulli : �1 + ��1 + �12�. �12 = �2 + 2��2 + �1. ��22 + ℎ1−2 Trong đó: v1= v2= 0 m/s p1= 0.595 at p2= 1 at
μ = 0,000801 Ns/m2 – độ nhớt động lực của nước ở 30oC (bảng I.249, trang 310, [1])
z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất.
Chọn dhút= dđẩy= 20 mm = 0,02 m ⇒v1= v2= v
H = z2 – z1 + p2 − pγ 1 + h1 − 2 − α12gv12 = 3.5 − 2 + 1 − 0.595 × 9,81 × 10972.3 × 9,81 4 + 0.04 = 5.7 (�)
⇒ N = 0,00034 × 972.3 × 9.81 × 5.71000 × 0,75 = 0.025 ��
5.3. Kính quan sát
Chọn kính quan sát làm bằng thủy tinh silicat và dày 5 mm,∅= 180 mm
5.4. Cửa sửa chữa
Chọn d = 200 mm
Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn (bảng XIII.26, trang304)
Bảng 5.4. Thông số kích thước bộ phận của thiết bị và ống dẫn
Pb×106
N//m2
Dtr Kích thước nối Kiểu
bích
D(mm) Db(mm) Dt(mm) D0(mm) Bu lông 1
Db(mm) Z(cái) H(mm)
CHƯƠNG 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nhiều tác giả, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa tập 1, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006.
[2] Nhiều tác giả, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa tập 2, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006.
[3] Phạm Văn Bôn, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm,tập 10
[4] Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006.
[5] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ , Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học và thực phẩm, tập 5.
[6] Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, Bộ giáo dục và đào tạo, Viện Đào tạo mở rộng.
[7] Hồ Lê Viên, Tính toán ,Thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật,2006.
[8] Bộ môn Máy và thiết bị, Bảng tra cứu Qúa trình cơ học – Truyền nhiệt – Truyền khối, NXB ĐHQG TPHCM, 2009.
[9] Sách Quá trình thiết bị Truyền Nhiệt , Khoa máy và thiết bị hóa học, Trường ĐHCN TPHCM,2011.