- Tổng hợp phần kết quả:
4.2. Kích thước thiết bị cô đặc
4.2.1. Tính kích thước buồng đốt
Số ống truyền nhiệt
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức ((III-49), trang 134, [4])): n = �� = �
(dtbH)
Trong đó: F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, đã được tính từ phần công nghệ, m2 dn- đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m.
H - chiều cao của một ống truyền nhiệt, m.
Chọn ống truyền nhiệt có kích thước: dn= 40 (mm) và chiều cao: 2 (m) dtr = 40 − 2 × 1.5 = 36 mm dtb = dn+ d2 tr =40 + 362 = 38 �� Số ống truyền nhiệt là: n = �� = � (× dtb× H)= 148.47 × 0.038 × 2= 622 (ống)
Chọn theo tiêu chuẩn (bảng V.11, trang 48, [2]) nt= 631 (ống), chọn cách sắp xếp ống theo hình sáu cạnh.
→ Số ống xuyên tâm là: 29 → Số hình 6 cạnh là: 14
Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth) Bề mặt truyền nhiệt thực là:
F� = n� × H ×× d� = 631 × 2 × × 40 × 10−3 = 158.6 (m2) . Tổng diện tích cắt ngang của ống gia nhiệt
F = ( n × × dn 2)
4 =
631 × × ( 40 × 10−3)2
4 = 0.792 (�2)
Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 20% thiết diện của tất cả các ống truyền nhiệt (III.26, trang 121, [PVB])
Fđ� = 0.2 × F = 0.2 × 0.792 = 0.1584 (m2) ��ℎ = 4���π = 4 × 0.1584
= 0.446 m = 446 mm
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1 OC 129.9
Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi tv2 OC 107.51
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 W/(m2.K) 9577.33 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α2 W/(m2.K) 4914.92
Bề dày ống truyền nhiệt δ m 0.0027
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống λ W/(m.K) 16.85
Nhiệt trở phía hơi nước r1 m2.K/W 0.232×10-3
Nhiệt trở phía dung dịch r2 m2.K/W 0.387×10-3
Hệ số truyền nhiệt tổng quát K W/(m2.K) 1129.92
Nhiệt tải riêng trung bình qtb W/m2 29137.665
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F m2 148.47
Số ống trao đổi nhiệt n ống 622
Đường kính ống tuần hoàn trung tâm ��ℎ mm 446
4.2.2. Đường kính buồng đốt (Dt)
Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (VI.40, trang 74,[2]):
Dt = 0.4 × β2 × dφ × Ln× sinα × F+ (Dth+ 2 × β × dn)2 (m) Trong đó:
�
��- hệ số, thường có giá trị từ 1.3 đến 1.5 (Chọn β = 1.4). Số bước ốngt = � × �� = 1.4 × 0.04 = 0.056 m dn= 0.04 m – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.
�– hệ số sử dụng vỉ ống, thường có giá trị từ 0.7 đến 0.9. Chọn�= 0.8. l = 2m – chiều dài của ống truyền nhiệt.
Dnth= 0.446 + 2 × 0.04 = 0.526m – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm. α = 60o– góc ở đỉnh của tam giác đều.
F = 148.47m2– diện tích bề mặt truyền nhiệt.
(3) ⇒ Dt = 0.4 × 1.42 × 0.04 × sin60 × 148.470.8 × 2 + (0.446 + 2 × 1.4 × 0.032)2 = 1.44 m
Chọn Dt= 1600 mm theo tiêu chuẩn (trang 275,[5]).
4.2.3. Bề dày buồng đốt:
Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép-crom-niken-titan, mã hiệu X18H10T (Bảng114, trang 310, [2]).
Bề dày buồng đốt hình trụ được tính theo công thức ( XIII.8, trang 360, [2]) � = �� . �
2[] + �+ � , � Trong đó :
Dt- Đường kính trong của thiết bị, m
φ - Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m P – áp suất bên trong của thiết bị, N/m2
Hệ số bổ sung do ăn mòn được xác định theo Công thức (XIII.17,trang 363 ,[2]) C = C1+ C2 + C3 (m)
C1 - bổ sung do ăn mòn, xem vật liệu chế tạo thiết bị tương đối bề. Chọn C1 = 1 (mm/năm)
Đại lượng bổ sung do hao mòn C2 chỉ tính đến trong các trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị. vậy trong trường hợp đang xét là dung dịch KOH có C2 = 0.
C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu theo (XIII.9,/tr364,[2])
Ta có: C3= 0.4 (mm) đối với thép cán loại dày 4 (mm) Vậy: C = 1 + 0.4 = 1.4 (mm)
Ứng suất kéo: (Công thức XIII.1, trang 355, [2]) [k] = ��
�
Giới hạn bền khi kéo σK= 550 ×106(N/m2) Công thức (XII.4, trang 309,[2]) Hệ số an toàn theo giới han bền kéo nk= 2.6 Công thức ( XIII.3, trang 356,[2]) Hệ số điều chỉnh η = 0.9 Công thức (XIII.2, trang 356, [2])
σK = 550 × 102.6 6 × 0.9 = 190.38 × 106 (N/m2) Ứng suất chảy: ( Công thức XIII.1, trang 355, [2])
[c] = �� �
Giới hạn khi chảy σC= 220 × 106(N/m2) Công thức (XII.4, trang 309,[2])
Hệ số an toàn theo giới hạn khi chảy nC= 1.5 Công thức ( XIII.3, trang 356,[2]) Hệ số điều chỉnh η = 0.9 Công thức (XIII.2, trang 356,[2])
[c] =220 × 106
1.5 × 0.9 = 132 × 106 (N/m2) Vậy: [k] > [σC]
Nên ta chọn [σC] = 132 ×106(N/m2) để tính bề dày thân hình trụ. Áp suất bên trong thiết bị:
� = ��� + �1 = 3 × 9.81 × 104 + 1.618 × 9.81 × 2 = 294331.75 (�/�2)
Trong đó: P1: áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρgH Pmt= Phđ= 3 (at) → ρ = 1.618 (kg/m3) (tra bảng I.251, st.QTTB, t.1/315)
Chọn hệ số bền của thành theo phương dọc φ = 0,9 (tra bảng XIII.8, st.QTTB, t.2/362) S = [�c] × =132 × 106 × 0,9294331.75 = 403.63
→ 403.63 > 50 Nên có thể bỏ P ở mẫu số
Bề dày buồng đốt hình trụ được tính theo công thức XIII.8 (st.QTTB, t.2/360) � = �� × � 2 × [�] × + �+ � = Dt × P 2 × σ� ×+ C =2 × 132 × 106 × 0. 91.6 × 294331.75 + 1.4 × 10−3 = 3.38 × 10−3(m) Suy ra: S = 5 mm
Trong đó: Dt: Đường kính trong của thiết bị (m)
: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C: Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m) P: Áp suất bên trong của thiết bị (N/m2)
[σ]: Ứng suất cho phép (N/m2)
Trong đó: P1: áp suất thủy tĩnh của nước, P1= ρgH
Pth: áp suất thủy lực theo (tra bảng XIII.5, st.QTTB, t.2/358) Pth= 1.5 × Phd= 1.5 × 3 × 9.81 × 104= 441450 (N/m2) Áp suất thử tính toán P0được xác định theo công thức:
P0= Pth+ P1= 441450 + 1.618 × 9.81 × 2 = 441481.75 (N/m2)
Kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi nước theo công thức XIII.26 (st.QTTB, t.2/365)
= ��+ � − � × ��
2 × � − � × = 1.6 + 5 − 1.4 × 10−3 × 441481.75 2 × 5 − 1.4 × 10−3 × 0,9
= 109.25 × 106 N m2 <
1,2 = 110.106 (N/m2)
4.2.4. Tính đáy buồng đốt.
Chọn đáy trong thiết bị cô đặc một nồi có dạng hình nón, đáy nón có gờ, làm bằng thép crôm – niken – titan. Mã hiệu (1X18H10T ) theo
(I.125, trang 127, [1]) góc đáy bằng 600(XIII.21, trang 394, [2]).
Bảng 4.2. Chiều cao cho thiết bị cô đặc có dạng hình nón, đáy nón có gờ theo Dt
Dt (mm) H (mm) chiều cao hình nón Rδ (mm) H (mm) chiều cao gờ 1600 1450 240 49.7 Yếu tố hình dạng khi = 300 và ���� = 1600240 = 0.15 là y = 0.98 (đồ thị XIII.15, trang 400, [2]). Ta có: H’= H1+ H2+ Hf+ Hn’= 0,3 + 2 + 0.0497 + 1.45 = 3.8 (m)
Trong đó H’: Chiều cao chất lỏng ở đáy thiết bị đến mặt thoáng chất lỏng H1: Chiều cao thích hợp của dung dịch sôi
H2: Chiều cao ống truyền nhiệt Hf: Chiều cao gờ
Hn: Chiều cao hình nón
Áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt+ P1(N/m2) Pmt= 0.68 at = 66685.22 (N/m2)
P = 66685.22 + 1180 × 9.8 × 3.8 = 110628.42 (N/m2)
Các đại lượng P, φh, φ, C tính toán như với thân hình trụ chịu áp suất trong Các đại lượng P, φh, φ, C tính toán như với thân hình trụ chịu áp suất trong. Từ kết quả tính toán trên buồng đốt ta có:
Tính ứng suất [σu] = [σ] theo (bảng XII.6, trang 312,[2]) với [σu] phụ thuộc vào nhiệt độ tường
tT2 = 107.51℃ → [σ�] = [σ] = 130 × 106 (N/m2).
Xác định chiều dày đáy theo các công thức (XIII.52 và XIII.53, trang 399,[2]) và lấy kết quả tính toán của công thức nào cho giá trị lớn hơn:
S = Dt. P. y
2 σ� .+ C, (m)
S = D'. P
2cos( σ� . − P)+ C , (m) Trong đó y : yếu tố hình dạng
D’: đường kính đối với đáy có gờ, mm theo hình (XIII.16, trang 400, [2]) [σu]: ứng suất cho phép của vật liệu khi uốn, N/m2.
S =Dt× P × y 2 σ� × + C = 1.6 × 110628.42 × 0.98 2 × 130 × 106× 0.9 + 1.4 × 10−3 = 2.14 × 10−3(m) Vậy: Chọn S = 5 mm D’ = Dt– 2 × �δ 1 − cos + 10 × S × sin = 1.6 − 2 × 0.24 × 1 − cos30 + 10 × 3 × 10 − 3 × sin30 = 1.51 (m) Xét biểu thức : 0.5 Dt– 2�δ 1 − cos + d = 0,5 × 1.6 − 2 × 0.24 1 − cos30 + 0.497 = 0.65 (m) Vậy: D’ = 1.51 > 0.65
Tính bề dày S theo công thức, (�)(XIII.53, trang 399, [2])
S = �'. �
2���( � . − �)+ �
Xét σ�� . = 110628.42130 × 106 × 0.9 = 1175 > 50 Có thể bỏ qua đại lương P trong công thức tính S trên
S = 1.51 × 110628.42
2cos30 × 130 × 106 × 0.9+ 1.4 × 10−3 = 2.22 × 10−3� Chọn theo tiêu chuẩn (XIII.21, trang 394,[2])
→ S = 5 (mm)
Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng công thức : = D'× Po 2cos× (S − C)+ Po × 1 = 1.51 × 110628.42 2 × cos30 × ( 3 × 10−3− 1.4 × 10−3)+ 110628.42 × 1 0.9 = 67.1 × 106 (N/�2) Xét: 1,2 =� 132.101,2 6 = 110 × 106 ≥ = 67.1 × 106(N/�2) → S = 5 (mm). 4.2.5. Đường kính buồng bốc
Utt= 1600 ÷ 1700 m3/m3h .Chọn Utt= 1600 (m3/m3.h), với áp suất trong buồng bốc 1at. Utt =f × Utt(1at)m3/m3h (VI.33, trang72, [2])
Ta có f =1.4 dựa vào đồ thị (VI.33, trang72, [2])) Utt =1600 × 1.45 = 2320 m3/m3.h
Hơi thứ là hơi dung môi nguyên chất (hơi nước) → khối lượng riêng hơi thứ ρh = 0.38 (Kg/m3) ở áp suất 0.65 at theo (I.251, trang 315, [1]).
Vkgh =� �
ℎ. ��� =0.41 × 23207200 = 7.57 ( �3)
Thường chiều cao buồng bốc không thấp hơn 1,5 m còn khi bốc hơi các dung dịch tạo bọt mạnh thì chọn 2,3 ÷ 3 m Hkgh= 2 m D�� = 4 × ���ℎ × ���ℎ = 4 × 7.57 × 2 = 2 m
H = 4. ���ℎ . �2
�� = 4 × 7.57
3.14 × 2.22 = 2 (�)
4.2.6. Bề dày nắp buồng bốc
Chọn vật liệu làm nắp buồng bốc là thép- crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H10T ) theo (I.125, trang 127, [1]) và nắp có dạng hình elip có gờ: bề dày nắp elip được tính theo công thức (XIII.47, trang 385, [2])
S = ���P
3.8 × � × � × φh − �× ���
2ℎ� + C (m) Trong đó :hb- chiều cao phần lồi của nắp (m).
C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m k - hệ số không thứ nguyên.
φh- hệ số bền của mối hàn hướng tâm (nếu có). [σk] - ứng suất cho phép, N/m2
P - áp suất bên trong của thiết bị, N/m2
Dựa theo bảng (XIII.10, trang 382, [2]) ta có:
Bảng 4.3. Chiều cao buồng bốc và chiều cao gờ theo Dbb
Dbb(mm) Hb(mm) H (mm) chiều cao gờ khi
S = 3 (mm)
2000 500 25
Giá trị C giống như tính toán đối với buồng đốt, C = 1.4×10-3(m) Áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt+ P1
Với: P1- áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị : P1= ρgH Xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1 = 0
Pmt = Pht = 0.68 (at) → P = 66682.5 (N/m2)
Với áp suất thử tính toán P0được xác định theo công thức: P0= Pth+ P1, (N/m2) Pth- áp suất thủy lực theo (XIII.5, trang 358, [2])
Pth = 1.5 × Pht = 1.5 × 6685.22 = 100027 (N/m2) Xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1= 0
→ P0= Pth+ P1 = 100027 (N/m2)
Hệ số không thứ nguyên k được tính như sau: K = 1 − ��
��
Trong đó: d - đường kính lớn nhất của lỗ không phải là hình tròn. Chọn d = 0.1 (m) K = 1 –0.12 = 0.95
Tính ứng suất [σ] theo bảng (XII.6, trang 312, [2]) với [σ] phụ thuộc vào nhiệt độ buồng bốc t = 88.5oC → [σ] = 127.6×106 (N/m2)
Hệ số bền của mối hàn hướng tâm φh = 0.95
Xét: � × � ×ℎ = 127.6 × 1066682.56× 0.95 × 0.95= 1726.97 > 30 bỏ qua P ở công thức tính S trên.
S = ��� × � 3.8 × � × � ×− �× ��� 2ℎ� + C = 2 × 66682.5 3.8 × 127.6 × 106 × 0.95 × 0.95 − 66682.5× 2 2 × 0.5 + 1.4 × 10−3 = 2.01 × 10−3(m)
Theo tiêu chuẩn (XIII.11,trang 384, [2] ) ta chọn S = 3 (mm)
Kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi H2O: (XIII.49, trang 386, [2]) S = �2�� + 2 × ℎ� × � − � × Po 7.6 × � ×ℎ × ℎ� × ( � − �) ≤ � 1.2 (N/m2) S = �2�� + 2 × ℎ� × � − � × Po 7.6 × � ×ℎ × ℎ�× � − � = 22 + 2 × 0.5 × 3 × 10−3 − 1.4 × 10−3 × 100027 7.6 × 0.95 × 0.95 × 0.5 × ( 3 × 10−3 − 1.4 × 10−3) = 72.94 × 106 ≤ � = 110 × 106( � )
Theo tiêu chuẩn chọn S = 5 mm
4.2.7. Bề dày thân buồng bốc.
Chọn vật liệu làm thân buồng bốc là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H10T ) theo (I.125, trang 127, [1]) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn : bề dày buồng bốc hình trụ được tính theo công thức như đối với công thức tính toán đối với buồng đốt: (XIII.8, trang 360, [2])
S = Dbb× P
2 × + P+ C , (m) Trong đó : Dt- đường kính trong của thiết bị, m
φ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m P - áp suất bên trong của thiết bị, N/m2
[σ] - ứng suất cho phép, N/m2
Các giá trị C, φ, [σ], giống như tính toán đối với buồng đốt, áp suất bên trong thiết bị: Với: P1- áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị: P1= ρgH
Xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1= 0 Pmt= Pht= 0.68 at → Pht= 66685.22 (N/m2) [�]
� . =
130.106 × 0,9
110628.42 = 1057.59 > 50 Nên có thể bỏ P trong công thức S trên S =���. �
2. + � =2 × 130 × 102 × 66685.226 × 0.9+ 1.4 × 10−3 = 1.97× 10−3 (m) Theo tiêu chuẩn chọn S = 3 mm
Kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi H2O: (XIII.26,trang 365, [2]) = �� + � − � . �0
2( � − � ) < 1,2�
Với áp suất thử tính toán P0được xác định theo công thức P0= Pth+ P1, (N/m2) Pth- áp suất thủy lực theo (XIII.5, trang 358, [2])
Pth = 1.5 × Pht = 1.5 × 66685.22 = 100027 (N/m2) Xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1 = 0
P0= Pth+ P1= 100027 (N/m2) = ��� + � − � . �0 2 � − � = 2 + 3.10−3− 1,4.10−3 × 100027 2 3.10−3– 1,4.10−3 . 0,9 = 69.52 × 106(N/m2) < � 1.2= 110 × 106
Theo tiêu chuẩn chọn S = 5 mm
4.2.8. Cách nhiệt cho buồng bốc
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu amiang có độ ẩm 50%, λc= 0,07 (W/m.độ) Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí:
n= 9.3 + 0.058 × tT2= 9.3 + 0.058 × 50 = 12.2 (W/m2.độ) Trong đó: tT2: nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt phía không khí, khoảng 40-50oC.
Chọn tT2 = 50oC
Bề dày lớp cách nhiệt cho buồng bốc theo công thức VI.66, st.QTTB, t2/ 92 [7] n( tT2 – tkk ) = �� ( tT1 – tT2 )�
→ δ = c(tT1−tT2 ) n( tT2 − tkk) =
0,07 × (129.9 − 50 )
12.2 × (50 − 27,2) = 0.02 m = 20mm Trong đó: tT2: nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt phía không khí, khoảng 40-50oC
tT1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị. Vì trở lực nhiệt tường thiết bị rất nhỏ so với trở lực nhiệt của lớp cách nhiệt, cho nên tT1 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt.
tT1= 129.90C
4.3. Kích thước các ống dẫn 4.3.1. Ống nhập liệu
Gđ= 8400 kg/h.
Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch KOH 5%). Chọn v = 1 m/s (trang 74, [2]).
ρ = 1180 kg/m3
⇒ d = �. �. � =4. Gđ 3.14 × 1180 × 1 × 3600 = 0,05 m.4 × 8400 Quy chuẩn theo bảng (XIII.26, trang 410, [2])
Chọn dt= 50 mm, dn= 60 mm.
4.3.2. Ống tháo liệu
Gc= 1200 kg/h
Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch KOH 20% ở 94℃). Chọn v = 1 m/s (trang74, [2]). ρ = 1180 kg/m3
⇒ d = �. �. � =4. � 3.14 × 1180 × 3600 × 1 = 0.02 m.4 × 1200 Quy chuẩn theo bảng (XIII.26, trang 410, [2])
Chọn dt= 20 mm, dn= 27 mm.
4.3.3. Ống dẫn hơi đốt
Lượng hơi đốt biểu kiến D = 2.275 kg/s.
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 3 at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]). ρ = 1.618 kg/m3(tra bảng I.251, trang 315, [1]).
⇒ d = 4. � �. �. � =
4 × 2.275
3.14 × 1.618 × 20 = 0.3 m. Quy chuẩn theo bảng (XIII.26, trang 410, [2])
4.3.4. Ống dẫn nước ngưng
Với D = 2.275 kg/s suy ra G = 2.275 kg/s
Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 3 at.