1. Tính toán và chọn thiết bị chính
1.1.1. Tính thể tích vật liệu
Đối với thiết bị làm việc gián đoạn, lượng nguyên liệu ban đầu nạp vào thiết
bị là Gd Kg, nguyên liệu có khối lượng riêng là kg/m3 , thì thể tích của nó là
Vnl m3 , được tính theo công thức:
, m3
Vnl= 1023.66178,13 =0,18 m3
.
Nếu trong quá trình gia công cần có nước thì thể tích có ích Vc chính bằng tổng thể tích nguyên liệu đầu và thể tích của nước Vn :
, m3
Do trong quá trình cô đặc ta không sử dụng thêm nước nên ta có : Vc = Vnl = 0,18 m3.
Lại có: Thể tích của thiết bị V phụ thuộc vào thể tích có ích Vc và hệ số chứa đầy αc :
, m3
αc – là hệ số chứa đầy, nó phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu có tạo bọt hay không tạo bọt, phụ thuộc vào thiết bị nằm đứng hay nằm ngang, vv… Ta chọn giá trị của αc =0,804.
V = V c
= 0,18
=0,233 m3 αc 0,804
1.2.1. Tính đường kính và chiều cao buồng đốt.
Từ thể tích của thiết bị V, ta dễ dàng tính được đường kính D và chiều cao H của vỏ trong thiết bị (chưa kể chiều dày của vỏ).
Đường kính vỏ trong của thiết bị hai vỏ hình trụ đặt đứng được xác định như sau:
D= 3
√
Trong đó:
= 0,7 lấy theo cấu tạo thiết kế;
K’ = 0,071 là tỉ số phụ thuộc vào hình dạng của đáy.
[ tra bảng I-1,tr 22, tài liệu 4 với hình dạng đáy thiết kế hình cầu.]
D= 3
√
Chiều cao của vỏ trong đặt thẳng đứng là H được tính từ công thức: = 0,7 . 0,72 = 0,5 m.
Ta có kích thước của buồng đốt:
Đường kính trong: Dt = 0,72 m.
Chiều cao: H = 0,5 m.
Theo bảng thựự̣c nghiệm – trang 379 – tài liệu 2, ta chọn đáy hình bầu dục với chiều cao
h= D
4t =720
4 =180mm
Chọn chiều cao đáy là: 180mm.
Với yêu cầu công nghệ tiêu chuẩẩ̉n ta chọn bề dày của thiết bị trao đổi nhiệt là dt = 3mm. Do vậy độ dày của vách truyền nhiệt là : = 3mm.
Trên thành buồng đốt, với lớp vỏ thiết bị bên ngoài đường kính trong của vỏ ngoài lớn hơn đường kính ngoài của vỏ trong khoảng từ 60 120mm. Ta chọn khoảng cách này bằng 60mm.
Đường kính ngoài của vỏ trong bằng : 720+3.2=726 mm.
Đường kính trong của vỏ ngoài khi đó : 726+60.2=846 mm.
Chọn chiều dày vỏ ngoài là 7mm (Do ngăn cản quá trình tuyền nhiệt ra khỏi môi trường)
Đường kính ngoài của vỏ ngoài là: 846+7.2=860 mm.
Đối với đáy buồng đốt, khoảng cách giữa hai đáy của vỏ trong và vỏ ngoài là từ 30 60 mm. Ta chọn khoảng cách này là 40 mm.
1.1.3. Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt.
Khi đó ta tính được bề mặt truyền nhiệt theo công thức: m2.
Trong đó : K – hệ số truyền nhiệt,
= thd - tht là hiệu số nhiệt độ có ích [ C].
ihđ = 651,6 kcal/kg tra theo nhiệt độ hơi đốt t =132,9°C
(Bảng 1.251 - trang 136 - tài liệu 3)
Tính hệ số truyền nhiệt K.
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
K=
W/m2K
Tính hiệu nhiệt độ có ích
Trong quá trình truyền nhiệt từ buồng đốt vào vào dung dịch, ta gặp phải tổn thất do nồng độ (đã tính ở trên), tổn thất thủy tĩnh ( ) và tổn thất thủy lựự̣c (
). Do vậy, hiệu số nhiệt độ có ích:
[oC]
Dựự̣a vào số liệu thựự̣c nghiệm trang 246 và trang 255 – tài liệu 2, ta có
oC và oC.
Suy ra:
∆t=132,9−60,2−1−3=68,7[oC]
Thay các giá trị vào ta tính được diện tích truyền nhiệt là:
F= D .ihd = 194,33.651,6 =1,77 m2 =1,77.106 mm2
K . ∆ t 1043,16.68,7
1.2. Tính kích thước không gian bốc hơi
Kích thước không gian bốc hơi phải đủ lớn để vận tốc hơi thứ trong đó không lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bị cuốn theo.
1.2.1. Tính bán kính buồng bốc hơi (Dbh)
Dựự̣a vào mục 5 – trang 289 – tài liệu 2 ta có:
Năng suất tính theo thể tích hơi thứ: [m3.h-1] Trong đó: W là năng suất hơi thứ; W = 158 [kg.h-1]
vht=1,02[m3.kg-1] – thể tích riêng hơi thứ tại 60 oC (theo bảng 1.5 – trang 11 – tài liệu 3) Ta tính được năng suất tính theo thể tích là:
Vh=W . vht=158.1,02=161,5 (m3/h)
Tốc độ hơi đi trong buồng hơi (chọn đường kính buồng hơi bằng đường kính buồng đốt)
ωh=
Theo mục 6.52– trang 263 – tài liệu 1, vận tốc lắng hạt lỏng tính theo công thức:
(m.s-1)
Trong đó: , - khối lượng riêng của chất lỏng và của hơi thứ [kg.m-3] - đường kính hạt lỏng; dhl = 0,0002 (m)
- hệ số trở lựự̣c phụ thuộc vào chế độ làm việc (phụ thuộc vào
chuẩẩ̉n số Re)
- vận tốc hơi thứ trong buồng hơi, vận tốc này phải nhỏ hơn vận tốc lắng [m.s-1]
- độ nhớt động của hơi thứ; v = 0,2.10-6 (m2.s-1)
Tra bảng 1.5 – trang 11 – tài liệu 3, ta có khối lượng riêng hơi thứ là [kg.m-3].
Khối lượng riêng của dịch tại 54 Bx là: =1254,08 (kg.m-3). Chuẩẩ̉n số Re được tính theo công thức:
Thay các giá trị trên, ta tính được chuẩẩ̉n số Re là:
ℜ= 0,11.0,0002=110 0,2. 10−6 Khi đó chọn: Vận tốc lắng của hạt là: ω1=√4. g . (ρl− ρ h ).dhl =√4.9,81 ( 1254,08−0,98. ) .0,0002 =2,76 3.ξ . ρh3.0,44 .0,98 (m.s-1)
Vậy vận tốc hơi thứ bé hơn vận tốc lắng của hạt nên ta không cần tính lại đường kính buồng bốc hơi.
Dbh ≥ Dbd = 720 mm.
Chọn Dbh = 720 mm để đảm bảo tính cân đối của thiết bị cũng như đảm bảo khả năng bốc hơi.
2.2.2.Tính chiều cao buồng bốc hơi.
Chiều cao buồng bốc hơi được tính phụ thuộc vào thời gian hơi thứ đi trong đó đủ để các hạt lỏng lắng xuống và đồng thời tính đến tính chất tạo bọt của dung dịch. Để đảm bảo các yêu cầu trên, chiều cao buồng bốc hơi thường bằng
lần buồng đốt. Ta chọn hệ số 1,2 suy ra:
Hbh=Hbd .1,2=0,5.103 .1,2=600[mm]
2.2.3. Chiều dày thân buồng bốc hơi của thiết bị.
Chiều dày thân được tính theo công thức chiều dày của hình trụ ngắn chịu áp suất ngoài:
[mm] Trong đó: Dbh = 720 (mm) – đường kính trong buồng bốc hơi.
H = 600(mm) – chiều cao buồng bốc hơi.
25
E = 2,2.104 ( N.mm-2) - mô đun đàn hồi thép làm thân. C = 2 (mm) – hệ số do ăn mòn, bào mòn và dung sai. m = 1 – hệ số ổn định.
P = 760 - 150 = 610 mmHg = 0,08( N.mm-2) - áp suất ngoài. Thay các giá trị trên vào công thức ta tính được:
S
bh=D
bh .(
ChọnSbh=5,0 mm
1.3. Tính kích thước nắp thiết bị
Ta chọn nắp hình bầu dục (elip) vì nó có các ưu điểm như: sựự̣ phân bố ứng suất điều hòa hơn hình vòm và kích thước gọn hơn hình bán cầu.
Theo công thức 9.14 – trang 378 – tài liệu 1, chiều dày thiết bị được tính theo công thức:
(mm)
Trong đó: P=0,0( N.mm-2) – áp suất tác động lên thành nắp thiết bị. Dt =720 (mm) – đường kính trong của buồng hơi.
( N.mm-2) - ứng suất bền cho phép của thép (SUS 304). - hệ số an toàn mối hàn. Chọn φ=0,85
.
(mm) – hệ số dư do gia công, ăn mòn. Chọn C = 2 (mm).
ye – hệ số phụ thuộc tỷ số
Theo bảng thựự̣c nghiệm – trang 379 – tài liệu 1, ta chọn ye = 1,0 với tỷ số khi .
Thay lần lượt các giá trị áp suất tác động buồng hơi (Pbh); đường kính trong của buồng hơi (Dbh) ta tính được chiều dày, chiều cao nắp (snap, hnap) .
S nap = 1,3. Pbh . Dbh . ye 4. (mm) 26
Chọn Snap = 6 (mm)hnap= D 4bh =720 4 =180 mm Chọn hnap = 180 mm 2. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 2.1. Mối ghép bích
2.1.1. Bích nối nắp với thân thiết bị
- Áp suất trong thiết bị
- Đường kính trong bích
- Chọn bích liền bằng thép để nối thiết bị
h Dt
Dn
Tra bảng XIII.27 - trang 419 - tài liệu 4, bích kiểu 1, ta được các thông số :
Dt
720
- Ta chọn đệm amiang-carton Bề dày 3 mm
Áp suất lớn nhất chịu được 0.6 N/mm2 Nhiệt độ lớn nhất chịu được 500oC
2.1.2. Bích nối buồng đốt với thân thiết bị
Chọn theo bảng XIII.27 - trang 419 - Tài liệu 4. Bích liền bằng thép, kiểu 1, ta được bảng dưới:
Dt
860
2.1.3. Bích nối nắp với thân của thiết bị ngưng tụ
Chọn theo bảng XIII.27 - trang 420 - Tài liệu 4. Bích liền bằng thép, kiểu 1, ta được bảng dưới:
Dt
200
2.2. Các đường ống dẫn cửa
2.2.1. Ống và cửa nhập liệu
Lưu lượng nhập liệu:
V nl
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống m/s (trang 74 Tài liệu [2])
Vậy đường kính ống nhập liệu
dnl=
Chọn ống thép tiêu chuẩẩ̉n theo bảng XIII.33 trang 435 Tài liệu [2] Đường kính trong 50 mm
Bề dày 3 mm
Chiều dài ống 80 mm
2.2.2. Ống và cửa tháo liệu
Lưu lượng tháo liệu:
Vtl=
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống
ω=1 m/s (trang 74 Tài liệu [2]) Đường kính ống tháo liệu
Chọn ống tháo liệu
28
Đường kính trong 50 mm Bề dày 3 mm
Chiều dài 70 mm
2.2.3. Ống dẫn hơi thứ
Lượng hơi thứ 158,34 kg ( kg/m3) Vậy lưu lượng hơi thứ
Vht =
Chọn vận tốc hơi đi trong ống vht = 20 m/s đường kính ống dẫn hơi thứ dht =√ Bề dày S = 4 mm Chiều dài 95 mm 2.3.4. Ống dẫn hơi đốt Lượng hơi đốt D = 197,38 kg Khối lượng riêng hơi đốt ở 3 at
lưu lượng hơi đốt
Vhd = Chọn vận tốc hơi đốt vhđ = 20 m/s đường kính ống dẫn hơi đốt dhd=√4. Vhd =√4.0,03 =0,044 m=44 mm π. vhdπ .20 Chọn dhd = 70 mm Bề dày S = 4 mm Chiều dài 100 mm 2.3.5. Ống dẫn nước ngưng
Lượng nước ngưng mn = 158,34 kg Khối lượng riêng nước ngưng ở 132,9oC
kg/m3
lưu lượng nước ngưng
Chọn vận tốc nước ngưng chảy trong ống vnn = 1.5 m/s đường kính ống dẫn nước ngưng
dnn=
Chọn dnn = 20 mm Bề dày S = 2,5 mm Chiều dài 70 mm
2.3. Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm
Chọn kết cấu của bề mặt truyền nhiệt bình ngưng là chùm ống trơn bằng thép dài 1 m, đường kính ngoài dn=25 mm và đường kính trong dt=20 mm.
Chọn nhiệt độ:
Nhiệt độ nước vào bình ngưng: tv = 20 0C Nhiệt độ nước ra bình ngưng: tr = 400C
Tính hệ số truyền nhiệt K
Ta có: Ght = 0,044 (kg/s)
r = 251,1.103 (J/kg): ẩẩ̉n nhiệt ngưng tụ ( theo bảng I.249 – trang 310 – tài liệu 3)
Nhiệt lượng cần cấp để ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi thứ là: Qk = r.Ght = 251,1.103. 0,044 =11048 (W) Hệ số truyền nhiệt
K=
Trong đó :
α1: hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài ống truyền nhiệt (W /m2độ)
α2: hệ số trao đổi nhiệt bên trong ống truyền nhiệt (W /m2độ)
λ: hệ số dẫn nhiệt của vách (W/mK ), λ = 17,5(W /m2độ)
- Tính nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều : Chênh lệnh nhiệt độ đầu vào :
30
∆t1=59,7−20=39,7 ℃
Chênh lệnh nhiệt độ ra vào :
∆t2=59,7−40=19,7 ℃ ∆tTB= ∆ t1−∆ t 2 = 39,7−19,7 =28,5 ℃ ∆ t1 ln 39,7 19,7ln∆t 2
Nhiệt độ trung bình của nước trong thiết bị :
tntb=tn −∆ tTB=59,7−28,5=31,2℃
- Hệ số cấp nhiệt phía trong ống:
Các thông số của nước tại nhiệt độ 31,2 ℃
ρ = 995,68 kg/m3
μ= 0,784.10-3 N.s/m2
λ = 0,618 W/m.độ Cp = 4177,63 J/kg.độ
( theo bảng I.5 trang12, bảng I.102 trang 94, bảng I.139 trang 133, bảng I.149 trang 168 – tài liệu 3)
Chuẩẩ̉n số Prandlt của nước:
Ta có :ℜ=
Chuẩẩ̉n số Nusselt :
0,25
N u=0,021.εk . ℜ0,8. Pr0,43.(PrPrT )
Khi tính α đối v ới chất t ải nhiệt lỏng hoặc khí ta luôn phải chọn chế độ chảy xoáy (Re > 104) để đả m bảo α lớn, ngoài ra khi chọn chế độ dòng chảy xoáy sẽ xoáy (Re >104) thuận tiện cho việc truyền nhiệt xảy ra. Chọn Re = 11000
Vì
dL= 0,021 =50 ≥ 50
Chọnε k=1 ( theo bảng V.2 – trang 15 – tài liệu 4) Thay số liệu ta được:
Nu=0,021.1. 110000,8.5,30,43.(Pr5,3T )0,25 =73,58.(Pr5,3T )0,25
Vậy hệ số tỏa nhiệt của nước là :
α2=Nu. λ= 73,68.0,0,618 . 10 −2 .( 5,3 )0,25
=2673,62( 5,3 )0,25
d0,02PrTPrT
(W/m2độ)
- Hệ số cấp nhiệt bên ngoài ống truyền nhiệt
α1=1,28. A . (∆ tr1 . d )0,25 Thựự̣c hiện phép tính lặp ta chọn∆ t1=3 ℃ tv1 = 59,7 – 3 = 56,7 °C tm = 1 2 . (59,7 + 56,7) = 58,2 °C => A = 153,56 =>α1=1,28.153,56 .(251,1 3.0,02.103 )0,25=8407,8(W /m2độ) q1 =α1× Δt1 = 8407,8× 3 = 25223,5 W/m2 Chênh lệnh nhiệt độ giữa 2 thành ống:
Δtv = q1 .Σrv = 25223,5 . 6,714 . 10-4 = 16,9 °C Nhiệt độ tường phía trước:
tv2= 56,7 – 16,9 = 39,8 °C
Nhiệt độ giữa thành ống và ống nước:
Δt2 = 39,8 – 31,2 = 8,6 °C
Các thông số của nước tại nhiệt độ t
v2= 39,8 °C
μ= 0,656.10-3 N.s/m2
λ = 0,634 W/m.độ Cp = 4176,9 J/kg.độ
( theo bảng I.102 trang 94, bảng I.139 trang 133, bảng I.149 trang 168 – tài liệu 3) q2 =α qtb = 2 ss =¿ q1− q
Vậy hệ số truyền nhiêt thựự̣c là:
K=
1 1
α
1
32
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
F=
Chọn số ống truyền nhiệt
n=
Tra bảng V.11 – trang 48 – tài liệu 4 ta chọn n = 7 ống
Chọn cách sắp xếp vỉ ống
Chọn các sắp xếp vỉ ống theo đỉnh lục giác đều có số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 3
Bước ống t lấy bằng khoảng từ (1,2 ÷ 1,5). d t= 1,5 . 0,02 = 0,03 (m)
Xác định đường kính trong của vỏ thiết bị ống chùm Vỏ trong của thiết bị được xác định bởi:
Dt = t.(b – 1) + 4.d = 0,03.(3– 1) + 4. 0,02 = 0,14 (m) Chọn Dt = 0,14 (m).
Xác định độ dày của vỏ ngoài thiết bị
Theo cơ sở tính toán thiết bị, thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày của vỏ được tính theo công thức:
Trong đó:
P – áp suất bên trong vỏ, bằng áp suất khí quyển: 0,1 (N/mm2); Dt – đường kính trong của vỏ: Dt = 140 (mm)
[σk] = 101 N/mm2 - ứng suất kéo cho phép của thép;
φ – hệ số bền mối hàn giáp mối bằng máy: φ = 0,8; C – hệ số bổ sung: C = 2 (mm);
⇒δv= P[. D]t +C= 140.0,1 +2=2,1(mm)
2 σk φ2.101.0,8
Để đảm bảo độ bền cơ học chọn độ dày vỏ thiết bị là δv = 6 (mm)
Xác định kích thước vỉ ống
Chọn vỉ ống làm bích luôn cho thiết bị nên các kích thước của vỉ ống được tra theo bảng XIII.26 - trang 414 –tài liệu 4 ta có các kích thước là:
33
Đường kính tâm lỗ bulong: 225 (mm) do lấy 2 đệm làm kín nên chọn đường tròn đi qua lỗ bulong có đường kính là 218 (mm)
Độ dày của vỉ là δvỉ = 16(mm)
Tính bền cho vỉ theo kết cấu cứng được xác định theo công thức:
Trong đó:
[σu] - ứng suất uốn của thép: [σu] = 6.107 (N/m2) K – hệ số: K=1,162 P – áp suất: P = 0,1 (MN/m2) - hệ số do đục lỗ: φdl= t−dn =0,0312−0,025 =0,23 t0,0312 ⇒ δ vi =√
Với δvỉ = 24 (mm) là thỏa mãn độ bền về kết cấu cứng.
Xác định số lối ống
Lưu lượng nước cần:
Vận tốc của nước đi trong ống:
Chuẩẩ̉n số Reynolds:
R = ρ. ω . D = 995,68.0,06 .0,02=2841
e
ttμ0,784.10−3
Vậy số lối cần chia là:
n= ℜℜtt = 11000
2841 =4
Số lối chia là n = 4 (lối)
Tính lại chuẩẩ̉n số Reynolds sau khi chia lối
ℜtt ¿
4 Gn
π.D.μ.
Thỏa mãn chế độ chảy rối
34
Tính đường kính trong của ống dẫn nước lạnh vào và ra
Vận tốc nước đi vào trong ống thiết bị chọn là v = 2 (m/s). Từ phương trình lưu lượng ta tính được đường kính trong của ống dẫn nước:
√
d n 1
=
Ta lấy đường kính trong của ống dẫn nước ra là dn2 = 0,010 (m) = 10 (mm)
Xác định đường kính trong của ống tháo thứ ngưng
Đường kính trong của ống dẫn hơi vào thiết bị
Chọn vận tốc hơi vào thiết bị là vh1 = 10 (m/s) với lưu lượng Gh1 = 0,044 (kg/s) thì lưu lượng thể tích hơi thứ tương ứng là:
Gh2 = 4,4.10-5 (m3/s)
Chọn ống DN90 theo tiêu chuẩẩ̉n ASTM
Chọn vận tốc thứ lỏng ra khỏi thiết bị là vh2 = 1,5 (m/s) thì đường kính trong của cửa ra thứ lỏng là:
dh 2=√4 G
h =√4.4,4 .1 0−5 =6. 10−3 m=6 mm
π vh23,14.1,5
Chọn đường kính ống cửa hơi ra là ống DN8 theo tiêu chuẩẩ̉n ASTM