- Tổng hợp phần kết quả:
3.2.2. Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Các thông số tự chọn:
Cô đặc tại áp suất khí quyển:� = 1(��)
Từ áp suất khí quyển, dựa vào bảng I.204 trang 236 [1] ta tra được nhiệt độ sôi của dung dịch KOH ở nồng độ đầu 5% là 104.2℃, nhiệt độ sôi của nước là 101.5℃
Do nhiệt độ sôi của dung dịch là 104.2℃nên ta chọn áp suất hơi đốt là 3 at.
Từ áp suất hơi vừa chọn được, ta tra bảng I.251 trang 314 [1], ta có nhiệt độ hơi đốt là 132.9℃và ẩn nhiệt hóa hơi là 2171.103 J/kg.
Hình 3.2. Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Lượng hơi đốt sử dụng tại thiết bị gia nhiệt nhập liệu:
⇔ �ℎ. �ℎ = �đ. ����đ − �đ . ����− �đ + ��� Cho nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp:
Trên đường ống dẫn, hơi dốt di chuyển bị ngưng tụ môt phần, do đó chọn độ ẩm của hơi đốt là 5%, phương trình trở thành: 0.95. �ℎ. �ℎ. 1 − � = �đ. �đ���. ����− �đ ⇒ �ℎ =0,95 × ��đ× �đ × ����− �đ ℎ × (1 − 0,05) = 8400 × 3976.7 × (104.2 − 30) 0,95 × 2171. 103 × (1 − 0,05) = 1265.02 ��/ℎ ⇒ �ℎ =�đ. �0,95. �đ− �� . ����− �đ ℎ. (1 − 0,05) = 8400 × 3976.7 − 3048.6 × (104.2 − 30) 0,95 × 2171 × 103× (1 − 0,05) = 295.24 ��/ℎ
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 4.1. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC KOH 4.1.1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1.
Giai đoạn 2: dẫn nhiệt qua thành ống.
Giai đoạn 3: nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2.
Hệ số cấp nhiệt α1, phía hơi ngưng tụ.
Hệ số cấp nhiệt α1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số α1 đối với hơi bão hòa ngưng tụ được tính theo công thức (V.101, STQTTB T2, 28).
1 = 2,04. A4 �∆�� 1
� �2.độ Với:
r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = 2m) A: trị số phụ thuộc tm � = �2×λ� 3 0.25 tm (oC) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 A 104 120 139 155 169 179 188 194 197 199 199 Chọn ∆t1= 3.2 0C: tT1 = �ℎ� − ∆t = 132.9 – 3.2 = 129.9 ℃ tm = thd+ ∆t2 =132.9 + 129.92 = 131.4℃ A = 191.42 (STQTTB T2,29)
Thd= 132.90C tương ứng với r nước = 2171.103 (J/kg) 1 = 2,04. A4 �∆�� 1 � �2.độ 1 = 2,04 × 191.42 ×4 2171 × 102 × 3 3 = 9577.33 � �2.độ Vậy :�1 = 1 × ∆t1 = 9577.33 × 3 = 28732 ��2 4.1.2. Hệ số cấp nhiệt α2từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi.
Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định.
∆T2 = tT2– tc mà tT2 = tT1 – �1∑r Với ∑r = r1+r2+r3
- Chọn hơi đốt (hơi nước bão hòa) là nước sạch, theo (V.I, STQTTB T2, 4) → r1= 0.232×10-3nhiệt trở của cặn mặt ngoài �2�.độ
Dung dịch cần cô đặc là KOH theo (V.I, STQTTB T2, 4) → r2= 0.387×10-3nhiệt trở của cặn mặt trong �2�.độ
- Chọn bề dày của ống truyền nhiệt δ = 0.0027 (m), vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu (1X18H9T) và hệ số dẫn nhiệt tại tT1= 129.90C, λ = 16.85 (W/m.độ) (I.125, STQTTB T1, 127) → r3 = δλ = 0.002716.85 = 1.6 × 10−4 � �2.độ ∑r = r1 + r2 + r3 = 0.232 × 10−3+ 0.387 × 10−3+ 1.14 × 10−4 = 0.78 × 10−3 � �2.độ tT2 = tT1 – �1∑r = 129.9 – 0.73 × 10−3 × 28732 = 107.51 ℃ ⇒ ∆T2 = tT2–tsdd (tb) = 107.51 – 101.5 = 6.01 ℃
Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi được tính theo công thức (VI.27, STQTTB T2, 71)
⇒ α2 = α�× λddλdm 0.565 × ρdmρdd 0.2 × cdm ×cdd �dm�dd 0.435 � �2.độ Trong đó:
αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt nên αn được tính theo (công thức (V.91), trang 26, [2]):
α� = 0,145 × �0.5× ∆�2.33 với P = Po= 0.68 at = 66685.22 N/m2 ⇒ α� = 0,145 × 66685.22 0.5 × 6.01 2.33 = 2445.23 � �2.độ tsdd(ptb) = 101.5oC tsdm(ptb)= 92oC λdd = A × cdd × ρdd ×3 ���� A - hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết A = 3.58 × 10−8
M – khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp KOH và H2O.
M = a × MKOH + (1 – a) × M�2� = a × 56 + 18 × (1 – a) kmolkg Nồng độ của KOH trong dung dịch xtb= 20% thì:
a = xtb MKOH xtb MKOH + 1 − xMH2Otb = 0.2 56 0.2 56 + 1 − 0.218 = 0.074 % mol ⇒ M = 0.074 × 56 + (1 − 0.075) × 18 = 20.8 kmolkg ⇒ λdd = 3.58 × 10−8 × 3051.1 × 1344 × 3 134420.8 = 0.589 �. �� α2 = α�× λdmλdd 0,565× ρdmρdd 0,2× cdm ×cdd �dm�dd 0,435 � �2. �
⇒ α2 = 2445.23 × 0,5890,59 0,565 × 1344960 0,2× 3051.14216 × 1.83 × 10−3 0.2838 × 10−3 0,435 = 4914.92 � �2. � �2 = α2× ∆T2 = 4914.92 × 6.01 = 29543.33 � �2. � Sai số: �2 − �1 �2 × 100 = 2.75% GHI CHÚ:
cdm,�dm, ρdm, λdm: tra (bảng I.249, trang 311, [1]) �dd: tra (bảng 9, trang 16, [8])
ρdd: tra (bảng 4, trang 11, [8])
λddđược tính theo công thức ((I.32), trang 123, [1]) tsdm= 73.05oC n 975.97 kg/m3 cn= 4189.44 J/kg độ n = 0.38619 × 10-3 Ns/m2 n = 66.983×10-2W/mK
cdd= 3051.1 J/(kg.độ) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb) cdm= 4216 J/(kg.độ)- nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb)
�dd= 1.83 × 10-3 Ns/m2- độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb) �dm= 0,2838 ×10-3 Ns/m2- độ nhớt của nước ở tsdm(ptb) ρdd= 1344 kg/m3- khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb) ρdm= 960 kg/m3- khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb)
λdd= 0.589 W/(m.độ) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdm(ptb) λdm= 0.59 W/(m.độ) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdd(ptb) Nhiệt tải riêng trung bình:
qtb =q1+ q2 2 = 28732 + 29543.332 = 29137.665 (W/m2)
4.1.3. Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức :
� = 1 1 1+ 2+ ∑� = 1 1 9577.33 + 4914.92 + 0.78 × 100.0027 −3 = 1129.92 � �2. �
4.1.4. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
F = ��
� × ∆�ℎ� = 1129.92 × 26.574457470.06 = 148.47 �2
4.2. Kích thước thiết bị cô đặc4.2.1. Tính kích thước buồng đốt 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