λd được tính theo công thức I.32/123 [4]
3
Cp √ Trong đó:
• A: Hệ só phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước. Thường lấy A = 3,58.10-8.
• Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch,
• ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng
• M: Khối lượng Mol của chất lỏng Ta có: Mi = mi.MNaOH + (1 - mi). MH2O M1 = 27,9 λdd1 = 0,538 M2 = 22,81 λdd2 = 0,557 M3 = 21,07 λdd3 = 0,586 4.1.3 Hệ số cấp nhiệt
Mô tả sự truyền nhiệt qua vách ống :
Thiết bị cô đặc có khu vực sôi bố trí bên trong ống, phía ngoài ống có một lớp nước ngưng tụ. Màng nước ngưng này có ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Đồng thời sát thành ống phía bên trong có một lớp cặn dung dịch bám vào, lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giai đoạn:
-
Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1, w/m2
-
Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày
-
Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2, w/m2.
4.1.3.1 Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị
q1 = a1 . Δt1 Trong đó: Δt1 hiệu số nhiệt độ của hơi: Δt1 = thđ – tT1 Chọn Δt1 = 1,6 với nồi I
Δt2 = 1,8 với nồi II Δt3 = 2,5 với nồi III
Khi tốc độ của hơi nhỏ (10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau:
1 = 2,04A √ (W/m2
.độ)
Trong đó:
3 0 25 A = ( )
• Δt1 = t1 – tw1: Hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị, (Chọn t1 là nhiệt độ của hơi đốt)
• r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, J/kg.
• H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m.
Chọn H = 3m.
Với nước ngưng tụ giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng. Công thức tính nhiệt độ màng tm: tm = 0,5.(tw1 + t1) A phụ thuộc tm (nhiệt độ màng) Bảng 4.1. Bảng giá trị A tm (oC) 40 60 80 100 120 140 160 180 200 A 139 155 169 179 188 194 197 199 199
Giá trị được tính dưới bảng sau: (∆t1 được giả thuyết và kiểm tra bên dưới)
Bảng 4.2. Giá trịt1 t1 (oC) tv1 (oC)t (oC) tm1 (oC) A R H α 1 q 1 1 Nồi I 143 141,40 1,60 142,20 194,66 2333 3 10485 16776,26 Nồi II 118 116,20 1,80 117,10 186,70 2285 3 9714 17484,71 Nồi III 93 90,50 2,5 91,75 174,88 2234 3 8334 20835,47
4.1.3.2 Giai đoạn cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch
q2 = a2 (t2 – tw2) = a2 . Δt2 Trong đó: ∆t2 là hiệu số nhiệt của thành ống và dung dịch sôi Δt2 = tv2 – t2, (Với tv2 : nhiệt độ của thành ống phía dung dịch) t v2 = tv1 - ∆tv’ ∆t v = q1 *∑ q = 1 (t t ) = ( 1 1 )(t t ) w1 ∑ w1 w2 w2
Nhiệt tải riêng của phía dung dịch sôi:
q2 = a2 (tw2 – t2) = a2 . Δt2 Trong đó:
• t1: Nhiệt độ hơi đốt, oC
• t2 : Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, oC
• tw1, tw2: Nhiệt độ 2 bên thành ống, oC
• a1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2
độ.
• a2: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m2
độ.
rc1: Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt (nước sạch)
rc1 = 0,232.10-3
(m2
độ/W
rc2: Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch rc2 = 0,387.10-3 (m2 độ/W) : Nhiệt trở thành thiết bị, m2 độ/W.
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉ X18H10T có: = 16,3(W/m.độ)
Chọn bề dày thành ống là: v = 2,0 mm.
Tổng nhiệt trở của tường: ∑ = 1 + + 2= 0,232.10 -3 + 210 3 + 0,387.10 -3 16 3 = 7,417.10-4 (m2 .độ/W) Nồi I : ∆tv = 12,44 0C, tv2 = 128,96 0C, ∆t2 = 6,83 0C Nồi II : ∆tv = 12,97 0C, tv2 = 103,23 0C, ∆t2 = 4,09 0C Nồi III : ∆tv = 12,45 0C, tv2 = 75,05 0C, ∆t2 = 1,710C Trong đó: • a2 được xác định bằng công thức a2 = Ψ. an kJ/ m2.độ.h • Ψ: hệ số hiệu chỉnh
• a2: hệ số cấp nhiệt của nước )0 565 [( 2 0 435 Ψ = ( ) ( ) ( )] (W/m2 .độ) Bảng 4.3. Bảng tổng kết tính Ψ tại các nồi λ ** λ * ρ ** ρ * C ** C * µ dd (.10-3) ** µ n (.10-3) * Ψ dd n dd n dd n Nồi I 0,538 1,037 1407,0 939,19 2892,14 4433,52 0,95 0,192 0.41 Nồi II 0,557 0,952 1176,5 950,13 3557,18 4390,02 1,98 0,237 0.33 Nồi III 0,586 0,867 1142,5 961,06 3784,33 4346,52 0,19 0,306 0.15
*λn, ρn, Cn, µn lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của nước. Các thông số tra bảng I.249/311 [5]
**λdd, ρdd, Cdd, µdd lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của dung dịch. Các thông số tra bảng I.249/311 [5]
an = p . p0,15 . q0,7 Trong đó:
• p: Áp suất làm việc của từng nồi hay là áp suất tuyệt đối trên bề mặt dung dịch.
Dựa vào công thức trên ta tính toán được các kết quả sau: Bảng 4.4. Bảng kết quả q2 và qtb an Ψ a2 Dt2 q2 qtb Nồi I 3239,76 0.41 1871,00 7,86 14714,72 15658,12 Nồi II 2958,56 0.33 1773,18 8,75 15518,36 16615,10 Nồi III 2760,16 0.15 1787,71 11,15 19931,26 20682,13 Bảng 4.5. Bảng kết quả h q1 q2 qtb h (%) Nồi I 16601,53 14714,72 15658,12 5,68 Nồi II 17711,85 15518,36 16615,10 6,19 Nồi III 21433,00 19931,26 20682,13 3,50 4.1.4 Hệ số truyền nhiệt: Tại nồi I: K = 1 K1= = 718,99 W/m2.độ 1 Tương tự cho Nồi II: K2 = 701,41W/m2.độ Nồi III: K3 = 700,00 W/m2.độ Hệ số hữu ích từng nồi: Δth1 (K) = ∑ ,oC ∑ • ΣΔthi: tổng nhiệt độ hữu ích các nồi. Tại nồi I: : Δth1 (K) = ∑ = 19,25oC.
∑
Tương tự ta tính:
Tại nồi III: Δth3 = 20,28oC Sai số nhiệt độ hữu ích:
Bảng 4.6. Sai số nhiệt độ hữu ích
Δthi Δti Η
Nồi I 19,25 20,87 8,41
Nồi II 19,5 18,86 3,28
Nồi III 20,28 19,66 3,06
Các sai số so với giả thiết ban đầu đều nhỏ hơn 10%. Như vậy kết quả cuối cùng có thể chấp nhận được.
Bề mặt truyền nhiệt thực tế. Bề mặt truyền nhiệt của nồi I là:
1 1405596 66 2 F1 = 1 1 718 99 19 25 97,32m 2 1424358 33 2 F2 = 2 2 701 41 19 5 82 91 m 3 1558400 79 2 F3 = 73 04 m 3 3 700 00 20 28 1 2 3 2 Ftb = 3 84 42 m Ftt = 1,1 Ftb = 1,1.83,61 = 92,87 m2
Như vậy dựa vào F1, F2, F3 ta có thể thiết kế hệ thống cô đặc buồng đốt ngoài có diện tích truyền nhiệt bằng nhau và bằng 100 m2. (Ta chọn theo quy chuẩn).
4.2 Tính buồng đốt
4.2.1 Tính số ống truyền nhiệt:
Từ bảng chuẩn VI.6/80 [5], ta chọn:
Chọn đường kính ống truyền nhiệt là: do = 38mm = 0,038m Chiều cao ống truyền nhiệt như đã chọn ở trên là H = 3m Số ống truyền nhiệt là:
n = 100 279 36 p 00383314 n = = 39 38 = 246 (ống) 003415
Chọn theo qui chuẩn n = 331 ống.
Chọn kiểu bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều.
Dựa vào bảng V.11/48 [5] ta chọn cách bố trí ống theo quy chuẩn là: - Số hình 6 cạnh: 10
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 21 ống
- Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân: 331 ống - Số ống trong các hình viên phân:
+ Ở dãy thứ nhất: 6 ống
+ Tổng số ống trong tất cả các viên phân: 36 ống.
4.2.2 Đường kính buồng đốt:
Ta có: Công thức tính đường kính trong của buồng đốt là (V.140/49[5]): Dt = t (b – 1) + 4.d , m
Trong đó:
• b: Số đường ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh
• d: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
• t: Bước ống, chọn t = 1,5 do do = 0,038 t = 1,5.0,038 = 0,057 m
Với d là đường kính ống truyền nhiệt trong buồng đốt. Chọn bề dày ống truyền nhiệt δ = 2mm = 0,002 m
d = d0 + 2. = 0,038 + 2.0,002 = 0,042m = 42 mm Theo cách phân bố thì ta có b = 21
Dt = 0,057. (21 – 1) + 4.0,042 = 1,3m
4.2.3 Tính bề dày của thân buồng đốt:
Vật liệu dùng để chế tạo buồng đốt thường sử dụng thép chịu nhiệt CT3. Dựa vào công thức XIII.8/360[5], ta có bề dày của thân buồng đốt là:
S =2 ; , m
Trong đó:
• Dt: Đường kính trong của buồng đốt,
• δ: Ứng suất cho phép
• φ: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc,
• p: Áp suất trong thiết bị,
• C: Hệ số bổ do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày. Ta có: Dt = 1,3m
Trong trường hợp này ta chọn hệ số bền của thành hình trụ bằng hệ số bền của mối hàn hay φ = φh.
Dựa vào bảng XIII.8/362 [5], chọn φh = 0,95 φ = 0,95.
[δ]: Bao gồm ứng suất khi kéo [δk] và ứng suất cho phép theo giới hạn dòng chảy [δc]. Ứng suất kéo:
[δk] = δ N/m2 XIII.1/355 [5]
n
Với h là hệ số hiệu chỉnh, dựa vào bảng XIII.2/356 [5], chọn h=0,9
nk là hệ số an toàn theo giới hạn bền, dựa vào bảng XIII.2/356 [5], kim loại và hợp kim của kim loại thép không rỉ cán, đập, rèn: chọn nk = 2,6
Do ta chọn vật liệu là thép CT3 nên dựa vào bảng XII.4/309 [5] ta có: [δk] = 380.106 N/m2
[δ]= δ 380 106
0 9 131 54 106 N/m2.
k
n 2 6
Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy:
[δc] = δ N/m2 XIII.1/355 [5]
n
h = 0,9 dựa vào bảng XIII.1/356 [5].
Dựa vào bảng XIII.2/256 [5], ta chọn hệ số an toàn theo giới hạn chảy: nc = 1,5. δc = 240.106 N/m2. XII.4/309[5]. [δ]= δ 240 106 0 9 144 106 N/m2. c n 1 5
Ứng suất cho phép sẽ lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điều kiện bền Hay [δ] = 131,54.106 N/m2.
Đại lượng C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lượng C được xác định theo công thức sau:
C = C1 + C2 + C3 (m) Trong đó:
• C1 là đại lượng bổ sung do ăn mòn, chọn C1 = 1mm.
• C2 là đại lượng bổ sung do hao mòn, đa số trường hợp khi tính toán thiết bị hóa chất ta có thể bỏ qua C2, nên ở đây chọn C2 = 0.
• C3 là đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,4mm, dựa vào bảng XIII.9/364 [5]
C = 1 + 0 + 0,4 = 1,4mm = 0,0014 m.
Áp suất trong thiết bị P là tổng áp suất số áp suất hoi đốt Phđ và áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng Pl.
Hay: P = Phđ + P1 Ta có: P1 = g.ρ.h
Với: g là gia tốc trọng trường; g = 9,81 m/s2 ρlà khối lượng riêng của chất lỏng,
hlà chiều cao cột chất lỏng; h = 3 + 0,5 = 3,5m. Nồi I: Phđ1 = 4 at Pl1 = g. ρ.h Do ρ1 = 1,407.103 Pl1 = 9,81.1,407.103.3,5 = 48309,35 N/m2 P1 = Phđ1 + Pl1 = 4.9,81.104 + 48309,35 = 440709,35 N/m2 S = = 1 3 440709 35 0 0014 3 5 10;3 m. 2 ; 2 144 106 0 95;440709 35 Chọn S1 = 0,005m = 5mm để đảm bảo độ bền.
Vì làm việc ở 3 nồi, và ở 2 nồi còn lại có áp suất thấp hơn nồi I và để thuận tiện cho việc chế tạo ta chọn bề dày buồng đốt nồi II và nồi III là S2 = S3 = 5mm.
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thứ: δ =
: ;
N/m2. XIII.26/365 [5]
2 ; 1 2
Áp suất thử được tính toán theo công thức:
Po = Pth + P1 N/m2. Trong đó:
• Pth là áp suất thủy lực, theo bảng XIII.5/358 [5]. Chọn Pth = 1,5 Phđ = 1,5.4.9,81.104 = 58,86.104 N/m2. P1 là áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, theo trên P1 = 48309,35
P o = 58,86.104 + 48309,35 = 636909,35 N/m2. δ = : ; 1 3: 0 005;0 0014 636909 35 121 38 106 2 ; 2 0 005;0 0014 0 95 240 106 200 106 1 2 1 2 δ 1 2
Vậy S1 = S2 = S3 = 5mm là đạt yêu cầu.
N/m2.
N/m2.
4.2.4 Tính bề dày của vỉ ống:
Hai vỉ phải đảm bảo giữ chặt ống sau khi nung, giữ nguyên hình dạng sau khi khoan và nung, bền dưới tác dụng của ứng suất có khả năng chống ăn mòn cao.
Bề dày của vĩ ống được tính theo công thức:
5 38 5 9 75 8 8
Chọn Sv = 10mm
4.2.5 Tính bề dày của đáy buồng đốt:
Đáy buồng đốt được làm theo hình nón có gờ và góc đấy là α = 60o. Ta có , bề dày đấy buồng đốt được tính theo công thức sau:
, m XIII.52/399 [5].
2
Trong đó:
• y là yếu tố hình dạng đáy, xác định theo đồ thị XIII.15/400 [5], Bảng XIII.21/394 [5] Dt = 1300 mm R1=195Rδ=R1+1=195+1=196. 196 0 15 1300 y = 2,02 Dt = 1,3 m P1 = 440709,35 N/m2. [δu] = [δk] = [δ] = 121,38.106 φh = φ = 0,95 C = 0,0014m. S = 1 3 440709 35 2 02 0 0014 0 005 0 0014 0 0064 6 4 . 2 121 38 106 0 95 d Chọn Sđ = 0,007m = 7mm.
Kiểm tra ứng suất của đáy buồng đốt ở áp suất thủy lực. Áp dụng công thức: N/m2, 2 ; 1 2 P = 636909,35 N/m2 o 1 3 636909 35 2 02 157 19 106 N/m2. 2 0 007;0 0014 0 95 240 106 200 106 N/m2 . 1 2 1 2
Vậy để tiện cho việc chế tạo bề dày đáy buồng đốt ta chọn bề dày của cả 3 nồi là Sđ =
7mm là đạt yêu cầu.
4.2.6 Chiều cao buồng đốt:
4.2.7 Khoảng trống vành khăn:
Ta có: Fvk = 20% ΣFo Trong đó:
• Fvk: là diện tích của khoảng trống vành khăn
• Fo: là tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt.
• n: tổng số ống truyền nhiệt
• d: là đường kính của ống truyền nhiệt.
ΣF = 331. 0 038 = 0,375 m2. o 4 Fvk = 0,375.20% = 0,075 m2. Ta có: − 4 4 Trong đó:
• Dng: Đường kính của thân thiết bị phần buồng đốt
• Dtr: Đường kính của buồng đốt
( 2 −2)4 Dng = √ 4 − 2 √ 40075 1 32 1 34 m. 4.3 Tính buồng bốc
4.3.1 Đường kính của buồng bốc:
Chọn đường kính của buồng bốc là Db = 1,4m Vận tốc hơi thứ: = = = 4 (m/s) (*)
Với 0 vận tốc lắng:
0 = √ 4 ; (m/s)
3
Trong đó:
• ρ’, ρh : khối lượng riêng của giọt lỏng và của hơi thứ, kg
• d : Đường kính giọt lỏng, m Chọn d = 0,0003 m
• : hệ số trở Nếu 0,2 < Re <500 = 18 5
Re =
Với : độ nhớt động học của hơi thứ, Ns/m2. Bảng I.121/121
Bảng 4.7. Vận tốc hơi thứ và vận tốc lắng ’ h h h ωo (kg/m3) (kg/m3) (Ns/m2) (m/s) Re ε (m/s) Ghi chú Nồi I 943 1,02 0,0000133 0,1894 43.553 7,65 1,9 Thỏa (*) Nồi II 958 0,50 0,00001185 0,3587 44.493 7,55 1,9 Thỏa (*)
Nồi III 977,2 0,14 0,0000100 10.448 43.882 7,62 1,9 Thỏa (*)
Vậy đường kính buồng bốc Db = 1,4 m
4.3.2 Chiều cao của buồng bốc:
Ta có: Hb = Hkgh + 0,5
Trong đó: Hkgh là chiều cao của không gian hơi.
4
m, VI.34/72 [5].
Với: Db là đường kính buồng bốc, Db = 1,4m
Vkgh là thể tích không gian hơi, m3; Vkgh được tính bằng công thức: m3, VI.32/71 [5].
Trong đó:
• W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h
• ρht: là khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3
• Utt: là cường độ bốc hơi trong khoảng không gian hơi, m3/m3.h
Nồi I: Ta có:
W1 = 1398,15 kg/h
Nhiệt độ hơi thứ ở nồi I là t = 118oC ρ ht
= 1,172 kg/m3 ht
Với Pht =1,84at, nên Utt = f.Utt(1at)
Trong đó:
• F: là hệ số hiệu chỉnh, dựa vào đồ thị VI.3/72 [5] chọn f = 0,92
• Utt(1at): là cường độ bốc hơi ở thể tích cho phép khi P =