Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

1. Thiết bị chính

1.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

1.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

0.25

α1 = 2.04 x A x (H .r∆ t1 ) (trang 28, [6]) (4.1)

Trong đó:

 α1 – Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng (W/m2.K)

 r - Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất hơi đốt là 4 at.

Tra bảng Tính chất hơi nước bão hòa (theo áp suất) (trang 443, [10]): r = 2141 kJ/kg

 H – Chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 2m)

 A – Phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = ½ (tv1 + tD) Với tv1 , tD – Nhiệt độ vách phía hơi ngưng và nhiệt độ hơi bão hòa (0C)

 ∆t1 – Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ nước ngưng và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, (0C)

Chọn ∆t1 = 5.430C

tv1 = tD

(4.2)

17

tm = ½ (137.65 + 142.9) = 140.1850C

(4.3)

A = 194.03 (trang 29, [6])

α1 = 2.04 x 194.03 x

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q1 = (4.5) 1.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi α2 (trang 71, [6]) (4.6) Trong đó:

 αn - Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

αn = 0,145 . p0.5 . ∆t2.33 (W/m2.K) (trang 26, [6]) (4.7) Với p = p0 = 0.6275 at = 0.6275 x 9.81 x 104 = 61557.75 N/m2 Chọn ∆t2 = 6.850C tv2 = (4.8) αn = (4.9)

 cdd (J/kg.K) – Nhiệt dung riêng của dung dịch ở ts dd (ptb)

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

Cdd = 1424.34 + 2673.19Xw + 2.446T = 1424.34 + 2673.19 x 0.8 (4.10)

 cdm = 3665 (J/kg.K) - Nhiệt dung riêng của nước ở ts dm (ptb)  µdd (Pa.s) – Độ nhớt của dung dịch ở ts dd (ptb).

μ (4.11)

μ – Độ nhớt động lực học của nước cam (mPa.s) C - Nồng độ dung dịch (0Brix) K1 = 0.003125 K2 = 0.090447 A1 = 2021.87 T – Nhiệt độ (K) => µdd = 0.003125 x e2021.87/(89+273) x 0.090447 x 15 = 1.13 mPa.s ≃ (4.12) (J/kg.K) [1] 0.00113Pa.s

 µdm = 0,000323 Pa.s – Độ nhớt của nước ở ts dm (ptb)

 ρdd = 1110.656 kg/m3 – Khối lượng riêng của dung dịch ở ts dd (ptb)  ρdm = 966,95 kg/m3 – Khối lượng riêng của nước ở ts dm (ptb)

 λdm = 0,679 (W/m.K) – Hệ số dẫn nhiệt của dung môi ts dm (ptb). Tra bảng I.249 (trang 211, [9])

 λdd (W/m.K) – Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ts dd (ptb) λ = 0.0797 + 0.5238Xw + 0.000580T

= 0.0797 + 0.5238 x 0.8 + 0.000580 x (89+273,15) =

(4.13)

=> α2 = 2764.23 x ¿

= 6625.6 (W/m2.K) (4.14)

1.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường

Theo công thức 3.2 (trang 103, [10]):

qv = tv1−tv 2 ∑r v Trong đó:  ∑rv – Tổng trở vách (m2.K/W) ∑rv = r1 + r + r2 (4.16)

r1 – Nhiệt trở màng nước. Tra bảng 31 – Hệ số dẫn nhiệt trung bình của lớp bẩn trên đường ống (trang 29, [11]) r1 = 23801 = 4,2 . 10-4 (m2.K/W)

r – Nhiệt trở của tường. r = σ λ

σ – Bề dày ống truyền nhiệt (m). σ = 0,002m

λ – Hệ số dẫn nhiệt của ống (W/m.K). Tra bảng XII.7 – Tính chất vật lý của kim loại đen và hợp kim của chúng (trang 113, [6]): λ = 16,3 (W/m.K) với ống làm bằng thép không gỉ OX18H10T

 r2 – Nhiệt trở lớp cặn. Tra bảng V.1 – Trị số nhiệt trở trung bình của một số chất (trang 4, [6]): r2 = 0,387 . 10-3 (m2.K/W)

=> ∑rv = 4,2 . 10-4 +

(4.17)

 ∆tv – Chênh lệch nhiệt độ giữa hai vách tường.

Với quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2

20

=> ∆tv = ∑rv . qv = 0.93 x 10-3 x 45289.3 = 42.12 0C (4.18) ∆tv = tv1 - tv2 => tv2 (4.19) => ∆t2 = tv2 - ts dd (ptb) = 95.35 – 88.5 = 6.850C (4.20)

Nhiệt tải riêng phía dung dịch:

q2 = α2 . ∆t2 = 6625.6 x 6.85= 45385.36 (4.21)

Ta tính được q1 = 45289.3; sai số 0.21%, nhận Nhiệt tải riêng trung bình:

qtb (4.22)

1.1.4 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

Theo công thức 3.11 (trang 105, [10]):

K = 1

α1

(4.23)

1.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Theo công thức 3.10 (trang 104, [10]):

F =

(4.24)

Chọn F = 16 m2 theo tiêu chuẩn (trang 276, [7])

Bảng 3. Thông số thiết bị chính

Thông số

Nhiệt độ tường phía hơi ngưng Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi Bề dày ống truyền nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống

Nhiệt trở phía hơi nước Nhiệt trở phía dung dịch Hệ số truyền nhiệt tổng quát Nhiệt tải riêng trung bình Diện tích bề mặt truyền nhiệt

1.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc1.2.1 Tính kích thước buồng bốc 1.2.1 Tính kích thước buồng bốc

1.2.1.1 Đường kính buồng bốc (Db)

Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc Vh

(4.25) Trong đó:

 W – Suất lượng hơi thứ (kg/h)

 ρh = 0.3743 kg/m3- Khối lượng riêng của hơi nước ở áp suất buồng bốc p0 = 0,6275 at (trang 314, [9])

Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc

22

wh (4.26)

Trong đó: Db – Đường kính buồng bốc (m)

Tốc độ lắng (trang 276, [7]):

ⱳ0=√ 4 . g . ¿¿¿

Trong đó:

 ρ' – Khối lượng riêng của giọt lỏng ở ts dm (p0) = 86.5. Tra bảng I.249 (trang 311,

[9]): ρ' = 967.61 (kg/m3)

 ρ” – Khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc p0 = 0.6275 at. Tra bảng

I.250 (trang 312, [9]): ρ” = 0.374 (kg/m3)

 d – Đường kính giọt lỏng; chọn d = 0.0003 m (trang 276, [7])

 ξ – Hệ số trở lực 18.5 0.2 < Re < 500 => ξ = ℜ0.6 (trang 276, [7]) Re (4.28) Trong đó:  v - Độ nhớt động học của hơi thứ

 μh – Độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất p0. Tra hình VI – Độ nhớt tuyệt đối của các chất khí (trang 56, [11]): μh = 0.012 x 10-3 Pa.s

Từ (4.26) và (4.28) => Re =

Từ (4.27) và (4.29) => ⱳ0 =

Ta có: ⱳh < (0,7 ÷ 0,8) ⱳ0 (trang 276, [7]). Chọn ⱳh < 0.8 ⱳ0

Từ (4.26) và (4.30)

(4.31)

=> Db > 0.779 m. Chọn Db

1.2.1.2 Chiều cao buồng bốc Hb

Cường độ bốc hơi trung bình: Tra hình 5.6 (trang 277, [7]) tại áp suất hơi thứ p0 = 0,6275 at

ω' = f (ρ, Db, ωh) = 6960 (m3/m3.h) Thể tích buồng bốc:

Vb (4.32)

Chiều cao buồng bốc: Hb

(4.33)

Nhằm mục đích an toàn, ta chọn Hb = 2m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt)

1.2.2 Tính kích thước buồng đốt1.2.2.1 Số ống truyền nhiệt 1.2.2.1 Số ống truyền nhiệt

Trong đó:

 F (m2) – Diện tích bề mặt truyền nhiệt

 l = 1.5m – Chiều dài ống truyền nhiệt

 d (m) – Đường kính ống truyền nhiệt. Chọn ống có kích thước d25/29mm.

Lấy d theo đường kính trong hoặc ngoài ứng với phía có hệ số tỏa nhiệt nhỏ hơn (trang 134, [12]). Vì α2 < α1 nên d = dt = 25mm

Số ống truyền nhiệt là: (4.35)

Theo bảng V.11 – Số ống trong thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (trang 48, [6]), chọn số ống n = 127 và bố trí ống theo hình lục giác đều

1.2.2.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm Dth

Đường kính ống tuần hoàn được xác định sao cho tiết diện ngang của nó bằng từ 25 – 35% tổng tiết diện ngang của các ống trao đổi nhiệt:

n (4.36) Trong đó:

 n – Số ống truyền nhiệt. n = 127

 dt – Đường kính trong của ống truyền nhiệt. dt = 25mm

 dth – Đường kính trong của ống tuần hoàn

 φ = 0.25 – 0.35. Chọn φ = 0.3



Chọn Dth = 273mm theo tiêu chuẩn (trang 274, [7])

Ta có:

=

=> dth = 0.154m

1.2.2.3 Đường kính buồng đốt

Đường kính trong của buồng đốt, theo công thức III.52 (trang 134, [12]):

Dt = 4

√п

Trong đó:

 t – Bước ống (m)

t = β . dn với β = 1.3 ÷ 1.5; dn – Đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn = 0.029m Chọn β = 1.4 => t = 1.4 x 0.029 = 0.0406m (4.39)

 n – Số ống truyền nhiệt, n = 127

 α = 600C – Góc tam giác đều

 Ψ = 0.7 ÷ 0.9 – Hệ số sử dụng vỉ ống. Chọn Ψ =

0.8

 dn th – Đường kính ngoài của ống tuần hoàn (m).

dn th = dth + 2d với d = 0.002 – Bề dày ống truyền nhiệt =>

(4.40)

=> Dt =√4

. 127 x 0.04062 x sin600 +(0.277+2 x 0.04062)= 0.754m

п 0.8

Chọn Dt = 800mm theo tiêu chuẩn (trang 275, [7]).

0.002 = 0.277m

(4.41)

1.2.2.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Phân bố 127 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác như sau (trang 48, [6]):

Bảng 4. Phân bố ống truyền nhiệt

Số hình lục giác

Số ống trên đường xuyên tâm

Tổng số ống không kề các ống trong các hình viên phân

26

Số ống trong các hình viên phân

Tổng số ống trong tất cả các viên phân Tổng số ống của thiết bị

Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt:

D = t . (b – 1) + 4dn (4.42)

Trong đó:

 t = 0.0406m – bước ống

 dn = 0.029m – Đường kính ngoài ống truyền nhiệt

 b – Số ống trên đường chéo của hình lục giác

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm. Điều kiện thay thế:

Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng:

m' =

Dth−4 dn

t

(4.43)

Số ống có thể lắp đầy cho ruột rỗng:

n’ = 3 . (m’

4 (4.44)

Số ống truyền nhiệt

(4.45)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này: F’ = (n . dt + Dth) . п . H

= (108 x 0.025 + 0.273) x п x 1.5 = 14.01 m2 > 11.89 m2 (thỏa) (4.46)

1.2.3 Tính kích thước các ống dẫn

Đường kính các ống dẫn, theo công thức VI.42 (trang 74, [6]):

√ √

4 Vs

d = =

пω

Trong đó:

 Vs – Lưu lượng khí (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống (m3/s)

 ω – Tốc độ thích hợp của khí (hơi) hoặc dung dịch đi trong ống (m/s)

 G – Lưu lượng khối lượng của lưu chất (kg/s)

 ρ – Khối lượng riêng của lưu chất (kg/ m3)

1.2.3.1 Ống nhập liệu

 Gđ = 1000 kg/h

 Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch nước cam 5% ở 88.190C). Chọn ω =

1.5m/s (trang 74, [6])  ρ = 1428.5 – 454.9Xw + 0.231T [2] (4.48) => dnl = √ 1.2.3.2 Ống tháo liệu  Gc = 200 kg/h

 Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch nước cam 25% ở 90.230C). Chọn ω = 1m/s

(trang 74, [6])

 ρ = 1428.5 – 454.9Xw + 0.231T [2]

= 1428.5 – 454.9 x 0.75 + 0.231 x 90.23 = 1108.168 (kg/m3)

(4.50)

=> dtl = √

1.2.3.3 Ống dẫn hơi đốt

 D = 0.286 kg/s

 Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 4at. Chọn ω = 20m/s (trang 74, [6])

 ρ = 2.12 (kg/m3) (trang 315, [9])

=> dD = √

1.2.3.4 Ống dẫn hơi thứ

 W = 800kg/h

 Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 0.6275at. Chọn ω = 20m/s (trang 74, [6])

 ρ = 0.3743 (kg/m3) (trang 315, [9])

=> dht = √

1.2.3.5 Ống dẫn nước ngưng

 Chọn Gn = 1/3 D

 Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hòa ở 4at, chọn ω = 0.75m/s

(trang 74, [6])  ρ = 923.67 (trang 311, [9]) => dn = √ 1.2.3.6 Ống dẫn khí không ngưng Chọn dkn = dn Loại ống Nhập liệu

Tháo liệu Hơi đốt Hơi thứ Nước ngưng Khí không ngưng Ống tuần hoàn

1.3 Tính cơ khí cho các chi tiết thiết bị cô đặc1.3.1 Tính cho buồng đốt 1.3.1 Tính cho buồng đốt

1.3.1.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng đốt có đường kính trong Dt = 0.8m, chiều cao Ht = 1.5mm

 Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, dẫn nước ngưng, xả khí không

ngưng

 Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

1.3.1.2 Tính toán

Bề dày tối thiểu S’

Hơi đốt là hơi nước bão hòa có áp suất 4 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là :

pm = pD – pa = 4 – 1 = 3at = 0.2943 (N/mm2)

(4.55)

Lấy áp suất tính toán bằng áp suất làm việc, ta có: pt = pm = 0.2943 (N/mm2) Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 142.90C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:

ttt = tD + 20 = 142.9 + 20 = 162.90C (4.56)

(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt =162.90C là [ϭ]* = 115N/mm2 (hình 1.2) (trang 16, [13])

Vì buồng đốt có bọc lớp cách nhiệt nên chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.95 (trang 17, [13]) Ứng suất cho phép của vật liệu, theo công thức 1.9 (trang 17, [13]:

[ϭ] =[ϭ]* . η = 115 x 0.95 = 109.25 (N/mm2)

(4.57)

Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2.05 x 105 (N/mm2) (tra bảng 1.12) (trang 34, [13])

Xét

[σ]φ pt

(4.58)

Theo công thức 5.3 (trang 96, [13]): S’

(4.59) Trong đó:

 φ = 0.95 – Hệ số bền của mối hàn (bảng 1.8, hàn một phía) (trang 19, [13])

 Dt = 800 mm – Đường kính trong của buồng đốt

 pt = 0.2943 (N/mm2) – Áp suất tính toán của buồng đốt Bề dày thực S

Dt = 800mm => Smin = 3mm (bảng 5.1) (trang 94, [13]) S’ < Smin . Chọn S’ = Smin = 3mm

Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca = 1

Vật liệu được xem như là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0.22mm (theo bảng VIII.9) (trang 364, [6])

Hệ số bổ sung bề dày là:

31

C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0.22 = 1.22mm (trang 98, [13]) (4.60) Bề dày thực là: S=S’+ (4.61) Chọn S = 5mm

Kiểm tra bề dày buồng đốt:

Theo công thức 5.10 (trang 97, [13]):

S−Ca

Dt

(4.62)

Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt, theo công thức 6.11 (trang 97, [13]):

[p] = 2. [

D

(4.63)

Vậy bề dày buồng đốt là 5mm Đường kính ngoài của buồng đốt:

Dn = Dt + 2S = 800 + 2 x 5 = 810mm (4.64)

Tính bền cho các lỗ:

Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng, theo công thức 8.2 (trang 162, [13]):

Trong đó:

 Dt = 800mm – Đường kính trong của buồng đốt

 S = 5mm – Bề dày của buồng đốt

 Ca = 1 – Hệ số dư do ăn mòn

 k – Hệ số bền của lỗ

k = = (4.66) => dmax = 0.37 . √800 .(5−1). (1−0.2345) So sánh: Ống dẫn hới đốt Dt = 150mm > dmax Ống xả nước ngưng Dt = 20mm > dmax Ống xả khí không ngưng Dt = 20mm > dmax

=> Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, ống xả nước ngưng và ống xả khí không ngưng. Chọn bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân 5mm.

1.3.2 Tính cho buồng bốc1.3.2.1 Sơ lược về cấu tạo 1.3.2.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng bốc có đường kính Db = 1000mm, chiều cao Hb = 2000m

 Thân có 4 lỗ, gồm ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và kính quan

sát

 Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt

 Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

1.3.1.2 Tính toán

Bề dày tối thiểu S’:

Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài. Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0.6275at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

pn = pm = 2pa – p0 = 2 x 1 – 0.6275 = 1.3725at = 0.1346 (N/mm2) (4.68)

Nhiệt độ của hơi thứ ra là: ts dm (p0) = 86.50C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:

ttt = 86.5 + 20 = 106.50C (4.69)

(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Chọn hệ số bền nhiệt mối hàn φh = 0.95 (bảng 1.8, hàn một phía) (trang 19, [13]) Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là [σ]* = 122 (N/mm2) (hình 1.2) (trang 16, [13])

Vì buồng bốc có bọc lớp cách nhiệt nên chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.95 (trang 17, [13]) Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η . [σ] * = 0.95 x 122 = 115.9 (N/mm2)

(4.70)

Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2.05 x 105 (N/mm2) (tra bảng 1.12) (trang 34, [13])

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1.65 (bảng 1.6) (trang 14, [13]) Ứng suất chảy của vật liệu là:

σ' = [σ] * . nc = 122 x 1.65 = 201.3 (N/mm2)

(4.71)

Khối lượng riêng của dung dịch nước cam 25% ở ts dd (ptb) là: ρdd = 1428.5 – 454.9Xw + 0.231T [2] = 1428.5 – 454.9 x 0.75 + 0.231 x 89 = 1107.88 (kg/m3) (4.72) Áp sụng công thức 5.14 (trang 98, [13]): S’=1.18D( Trong đó:

 Db = 1000mm – Đường kính trong buồng bốc

 pn = 0.1346 (N/mm2) – Áp suất ngoài tính toán của buồng bốc

 L = 2000mm – Chiều dài tính toán của thân, khoảng cách giữa hai mặt bích Bề dày thực S:

Db = 800mm => Smin = 3mm < 5.24mm => Chọn S’ = 5.24mm Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca = 1mm

Vật liệu được xem như là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0.5mm (theo bảng VIII.9) (trang 364, [6]) Hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0.5 = 1.5mm (trang 98, [13]) (4.74) Bề dày thực là: S = S’ + C = 5.24 + 1.5 = 6.74mm (trang 98, [13]) (4.75) Chọn S = 7mm

Kiểm tra bề dày buồng bốc:

L D (4.76) 1.5 √  1.5√ (4. 77) 

Kiểm tra công thức 5.16 (trang 99 [13]):

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DLt ≥ 0.3  2 ≥0.3  (4.78) t Ec . √[ σct 2.05 x 105 201.3 2.5 ≥ 0.4 (thỏa)

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài: So sánh pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [pn]

[pn] = 0.649 . Et .

 0.649 x 2.05 x 10 (4. 79)

