3. Tính một số chi tiết khác:
3.3 Chọn kính quan sát
Ta chọn kính quan sát làm bằng thủy tinh silicat dày: δ = 15mm, đường kính d = 200mm. Áp suất làm việc nhỏ hơn 6 at.
Chọn bích kiểu 1, bảng XIII.26 [2 – 415], bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị:
Py.10-6 (N/m2)
Dy
(mm)
Ống Kích thước nối Kiểu
bích Dn (mm) D (mm) Dδ (mm) D1 (mm) Bu long 1 db Z (cái) h (mm) 0,6 200 290 255 232 219 M16 8 16 3.3 Chọn kính quan sát
Ta chọn kính quan sát làm bằng thủy tinh silicat dày: δ = 15mm, đường kính d = 300mm. Áp suất làm việc nhỏ hơn 6 at.
Chọn bích kiểu 1, bảng XIII.26 [2 – 415], bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị:
Py.10-6 (N/m2)
Dy
(mm)
Ống Kích thước nối Kiểu
bích Dn (mm) D (mm) Dδ (mm) D1 (mm) Bu long 1 db Z (cái) h (mm) 0,6 200 290 255 232 219 M16 8 16 3.4 Tính bề dày lớp cách nhiệt
Bề dày lớp cách nhiệt cho thiết bị được tính theo công thức:
𝛼𝑛(𝑡𝑇2 − 𝑡𝑘𝑘) = λ𝑐
δ𝑐 (𝑡𝑇1 − 𝑡𝑇2) [4 – 92]
δ𝑐 = λ𝑐(t𝑇1 − t𝑇2) α𝑛(t𝑇2− t𝑘𝑘)
Trong đó:
- tT2: nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí, khoảng 40 – 50oC, chọn tT2 = 45oC
- tT1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị vì trở lực tường trong thiết bị rất nhỏ so với trở lực của lớp cách nhiệt cho nên tT có thể lấy gần nhiệt độ hơi đốt, tT1 = 151,1
oC
- tkk: nhiệt độ môi trường xung quanh. Tra bảng VII.1 [4 – 97], chọn tkk = 23,4 oC, lấy nhiệt độ trung bình cả năm tại Hà Nội.
- 𝜆c: hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt, chọn vật liệu lớp cách nhiệt là sợi bông thủy tinh: 𝜆𝑐 = 0,0372 W/m.độ (bảng PL.14 [1 – 348])
- 𝛼𝑛: hệ số cách nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí:
𝛼𝑛 = 9,3 + 0,058.tT2 [4 – 92] 𝛼𝑛 = 9,3 + 0,058.45 = 11,91 (W/m2 .độ) Thay số vào ta có: δ𝑐 = λ𝑐(t𝑇1 − t𝑇2) α𝑛(t𝑇2 − t𝑘𝑘) = 0,0372(151,1 − 45) 11,91(45 − 23,4) = 0,015 (𝑚)
Các thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài với dung dịch KNO3
Năng suất 10800 kg/h
Nồng độ dung dịch
Đầu 5
%
Cuối 23
Lượng hơi đốt đi vào nồi 1 4615,61
kg/h Lượng hơi thứ bốc ra
Nồi 1 4167,02
Nồi 2 4285,15
Nhiệt độ sôi của dung dịch
Nồi 1 116,04 (oC) Nồi 2 75,02 Hệ số truyền nhiệt Nồi 1 910,42 (W/m2.độ) Nồi 2 830,60
Hiệu số nhiệt hữu ích
Nồi 1 34,96
(oC)
Nồi 2 36,45
Bề mặt truyền nhiệt Nồi 2 85,30 (m2) Buồng đốt Đường kính trong 1000 Chiều cao 5000 Chiều dày 4
Chiều dày lưới đỡ ống 12
Chiều dày đáy lồi buồng
đốt 5
Chiều dày ống truyền nhiệt 38 Buồng bốc Đường kính trong 1400 Chiều cao 2600 Chiều dày 4
Chiều dày nắp buồng bốc 5
Kính quan sát Đường kính trong 300
Ống dẫn hơi đốt vào Đường kính trong 150
Ống dẫn dung dịch vào Đường kính trong 70
Ống dẫn hơi thứ ra Đường kính trong 250
PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 1.Thiết bị ngưng tụ baromet
Hơi thứ sau khi đi ra khỏi nồi cô đặc cuối cùng được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet để thu hồi lượng nước trong hơi, đồng thời tách khí không ngưng dung dịch mang vào hoặc do khe hở của thiết bị. Hơi vào thiết bị ngưng tụ đi từ dưới lên, nước lạnh, nước ngưng tụ chảy xuống ống baromet.
Hệ thống thiết bị: Chọn thiết bị ngưng tụ baromet - thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao.
Sơ đồ như sau:
1. Thân.
2. Thiết bị thu hồi bọt. 3. Ống baromet. 4. Tấm ngăn.
5. Cửa hút chân không.
Trong thân 1 gồm có những tấm ngăn hình bán nguyệt.
Nguyên lí làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phun nước lạnh vào trong hơi, hơi tỏa nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại. Do đó thiết bị ngưng tụ trực
tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị hoặc không tan trong nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nước làm nguội
Sơ đồ nguyên lí làm việc của thiết bị ngưng tụ baromet ngược chiều loại khô được mô tả như hình vẽ. Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống baromet (3) để tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài. Hơi vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy tử trên xuống, chảy tràn qua cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn. Hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí không ngưng đi lên sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống baromet. Khí không ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chân không
Ống baromet thường cao H > 11 m [3 – 106] để khi độ chân không trong thiết bị có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị.
Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra mà không cần bơm nên tốn ít năng lượng, năng suất lớn.
Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ baromet chân cao ngược chiều loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị trí cuối hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không
Các số liệu cần biết:
- Hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2 = 4285,15kg/h - Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: png = 0,2 at => Tng = 59,7 oC - Các thông số vật lý của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hệ thống: t2’ = 60,7 oC i2’ = 2608444 (J/kg.độ)
p2’= 0,21 at r2’ = 2355556 (J/kg.độ)
1.1. Tính toán lượng hơi nước ngưng tụ
Công thức VI.51 [2– 84]:
Gn =W2(i − Cn ⋅ t2c )
Cn(t2c− t2đ) (kg/h)
Trong đó:
Gn: lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, kg/s W: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s i: nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi ngưng, J/kg i = i2’ = 2608444 J/kg
t2đ, t2c: nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, oC Chọn t2đ = 25 oC, t2c = 50 oC
Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ
Tra theo nhiệt độ trung bình I.147 [3 – 165]: Cn (tại 37,5oC) = 4181,04 (J/kg.độ)
𝐺𝑛 =𝑊2(𝑖−𝐶𝑛⋅𝑡2𝑐 )
𝐶𝑛(𝑡2𝑐−𝑡2đ) = 4285,15(2608444−4181,04.50)
4181,04.(50−25) = 98365,52 (kg/h)
1.2. Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ
Theo công thức VI.52 [2 – 84]: Dtr = 0,02305. √ W2
ρh ωh
Trong đó:
Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, m
W2: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s, W2 = 4258,15 (kg/h) ρh: khối lượng riêng của hơi ngưng tụ ở 59,7 oC.
Tra bảng I.250 [1-312] ta có ρh = 0,1286 kg/m3
ωh: tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ. Nó phụ thuộc vào cách phân phối nước trong thiết bị, tức là theo độ lớn của các tia nước. Khi tính toán với áp suất làm việc là png= 0,2 at ta có thể chọn ωh = 35 m/s
Do đó ta có: Dtr = 0.02305. √4285,15
0,1286.35 = 0,711 𝑚
Quy chuẩn theo bảng VI.8 [4-88], Dtr = 800 mm
1.3. Tính kích thước tấm ngăn
Chiều rộng tấm ngăn có dạng hình viên phân b xác định theo công thức:
b =Dtr
2 + 50 (mm)
Trong đó:
Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, mm
b =800
2 + 50 = 450 mm
-Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ.
-Nước làm nguội là nước sạch nên lấy đường kính lỗ là dlỗ = 2mm. -Chiều dày tấm ngăn chọn 𝛿 = 4mm.
-Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn = 40mm
= 0,62 m/s
Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ bề mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ: f = Gn. 10 −3 3600ωc = 98365,06. 10−3 3600.0,62 = 0,044 m 2
Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước của các lỗ được xác định theo công thức VI.55 [2 – 85]: t = 0,886. dlỗ. ( f ftb) 0,5 + dlỗ
dlỗ : đường kính của lỗ đĩa đã chọn, dlỗ = 2mm
( f
ftb): tỉ số giữa tổng số diện tích tiết diện của các lỗ với diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ, thường lấy ≈ 0,025 ÷ 0,1. Ở đây ta chọn ( f
ftb)= 0,03 Thay số ta được: 𝑡 = 0,866.2. 0,030,5 + 2= 2,3 (mm)
1.4. Tính chiều cao của thiết bị ngưng tụ
Chiều cao thiết bị ngưng tụ phụ thuộc mức độ đun nóng. Mức độ đun nóng được xác định theo công thức:
β =tt2c− t2đ
bh− t2đ [2 − 85]
Trong đó:
𝑡2𝑐,𝑡2đ: là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh, oC
𝑡𝑏ℎ: là nhiệt độ của hơi nước bão hòa ngưng tụ, oC
β =tt2c− t2đ bh− t2đ =
50 − 20
59,7 − 25 = 0,72
Dựa vào mức độ đun nóng với điều kiện lỗ dlỗ = 2mm, tra bảng VI.7 [2-86]. Quy chuẩn 𝛽 = 0,727 Số bậc Số ngăn Khoảng cách giữa các ngăn mm
Thời gian rơi qua một bậc (s) Mức độ đun nóng Đường kính tia nước (mm) 4 8 300 0,35 0,727 2
Thực tế khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đó khoảng cách hợp lí nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng chừng 50mm cho mỗi ngăn. Theo bảng trên ta có 8 ngăn, khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 300mm, ta chọn khoảng cách giữa 2 ngăn dưới cùng là 400mm.
Chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ sẽ là:
Hhi = 400 + 350 + 300 + 250 + 200 + 150 + 100 + 50 = 1800 (mm)
1.5. Tính kích thước đường kính trong ống baromet
Đường kính ống Baromet được xác định theo công thức VI.57 [2 – 86]:
𝑑 = √0,004. (Gn + W2) 3600. π. ω
𝜔: tốc độ của hỗn hợp nước làm lạnh và nước ngưng chảy trong ống Baromet, m/s Lấy ω = 0,5m/s
d = √0,004. (98365,06 + 4285,13)
3600. 𝜋. 0,5 = 0,27 m
1.6. Tính chiều cao ống baromet
Xác định chiều cao ống baromet theo công thức VI.58 [2 – 86]: H = h1 + h2 + 0,5 (m)
Trong đó:
h1: chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ.
h1 = 10,33. Pck 760 (m)
Trong đó Pck là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ:
Pck = 760 − 735,6. Png = 760 − 735,6.0,2 = 612,88 (mmHg)
h1 = 10,33. Pck
760 = 10,33.612,88
760 = 8,33 𝑚
h2: chiều cao cột nước trong ống Baromet để khôi phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống. Theo công thức VI.61 [2 – 87]:
h2 = ω 2
2g. (2,5 + λ.H d) , m
Trong đó:
d: đường kính trong ống baromet, d = 0,27 (m)
𝜆: hệ số trở lực ma sát khi nước chảy trong ống
λ = 0,3164
Re0,25 𝑅𝑒 = 𝜔𝑑𝜌𝑡𝑏
𝜇 𝜌𝑡𝑏: khối lượng riêng lỏng tại ttb = 37,5oC
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy tại 37,5 oC ta có: 𝜇 = 0,6881.10-3 (N/m2) Tra bảng I.249 [1-310] và nội suy tại 37,5 oC ta có: 𝜌𝑡𝑏= 993,1 (kg/m3 )
𝑅𝑒 = 0,5.0,27.993,1 0,6881. 10−3 = 194838,68 λ = 0,3164 194838,680,25 = 0,015 h2 = 0,5 2 2.9,81. (2,5 + 0,015. H 0,27) H = h1 + h2 +0,5 → H = 8,33 + 0,031588 + 7,07. 10−4H + 0,5 =>Làm tròn H = 8,87 (m)
1.7. Tính lượng hơi và nước ngưng
Lượng không khí cần hút: Theo công thức VI.47 [2-84]:
Gkk = 0,000025.W2 + 0,000025.Gn + 0,01.W2 (Kg/h) Gkk = (0,000025 + 0,01).W2 + 0,000025.Gn
Trong đó:
Gn: lượng nước làm nguội tưới vào thiết bị ngưng tụ, kg/h W2: lượng hơi nước vào thiết bị ngưng tụ, kg/h
Gkk = (0,000025+0,01). 4285,13 + 0,000025.98365,06 = 45,42 (kg/h) Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ:
Theo công thức VI.49 [2 – 84]:
Vkk = 288Gkk. (273 + tkk) 3600(Png− Ph)
theo công thức VI.50 [2 – 84]
tkk = t2d + 4 + 0,1(t2c – t2d) = 25 + 4 + 0,1(50 – 25) = 31,5 oC ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ tkk, N/m2. Tra bảng I.250 [1 – 312]: tkk = 31,5oC ta có, ph = 0,0475.9.81.104 (N/m2) Vkk =288Gkk. (273 + tkk) 3600(Png− Ph) = 288. 45,42. (273 + 31,5 ) 3600. (0,2 − 0,0475). 9,81. 104 = 0,074 (𝑚3/𝑠)
2. Tính toán bơm chân không
Công suất của bơm chân không tính theo công thức:
Nb = L 1000η = m m − 1. Pk. Vkk 1000. η. [( p2 p1) m−1 m − 1] Trong đó: m: chỉ số đa biến, chọn m = 1,25 pk = png – ph = 0,2 – 0,0475 = 0,1525 (at) p1 = png = 0,2 at p2: áp suất khí quyển, p2 = 1 at η: hiệu suất, η = 0,65 Nb = 1,25 1,25 − 1. 0,1525.0,074.9,81. 104 1000.0,65 . [( 1 0,2) 1,25−1 1,25 − 1] = 3,23 kW
Dựa vào Nb chọn bơm theo quy chuẩn ở bảng II.58 [1 – 513], bơm chân không vòng nước PMK ta chọn được bơm PMK-1 với các thông số:
+ Số vòng quay: 1450 vòng/phút
+ Công suất yêu cầu trên trục bơm: 3,75 kW + Công suất động cơ điện: 4,5 kW
+ Lưu lượng nước: 0,01 m3/h
3. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Để đun nóng hỗn hợp đầu người ta gia nhiệt bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm loại đứng dùng hơi nước bão hòa để đun nóng hỗn hợp đầu. Chọn áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa p = 5,0 at. Khi đó nhiệt độ hơi nước bão hòa tbh = 151,1 oC (bảng I.251 [1 – 314]).
Lượng kim loại cần cho một đơn vị tải nhiệt: 1
Lượng kim loại cần cho một đơn vị bề mặt đốt: 30 – 80 kg/m2
Đường kính trong của ống: d = 0,032m Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống.
Chọn loại ống thép X18H10T đường kính d = 32 2 mm, L = 3m
Yêu cầu thiết kế quan trọng nhất của việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là xác định được bề mặt truyền nhiệt. Ngoài ra còn xác định các thông số khác như đường kính, chiều cao, số ống và số ngăn thiết bị.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được xác định thông qua phương trình cơ bản của truyền nhiệt
3.1. Nhiệt lượng trao đổi
𝑄 = 𝐹. 𝐶𝑝. (𝑡𝐹 − 𝑡𝑓), 𝑊
Trong đó:
-F: Lưu lượng hỗn hợp đầu F = 10800 (kg/h)
-Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Cp = C0 = 3976,7 (J/kg.độ) -tF: Nhiệt độ cuối của dung dịch, tF= tso= 116,04 (oC)
-tf: Nhiệt độ đầu của dung dịch, lấy bằng nhiệt độ môi trường, tf = 25 (oC) Thay số vào ta có nhiệt lượng trao đổi của dung dịch là:
𝑄 = 10800
3600 . 3976,7. ( 116,04 − 25) = 1086116,304 (𝑊)
3.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích
Chọn thđ = t1 = 151,10 (oC)
∆tđ = 151,10 – 25 = 126,10 (oC) ∆tc = 151,10 – 116,04 = 35,06 (oC)
Do ∆tđ/∆tc = 3,6> 2 nên nhiệt độ trung bình của hai lưu thể là:
∆t𝑡𝑏 = ∆𝑡đ − ∆𝑡𝑐 𝑙𝑛∆𝑡∆𝑡đ 𝑐 = 126,10 − 35,06 𝑙𝑛126,1035,06 = 71,12 ( ℃)
Hơi đốt có nhiệt độ trung bình t1tb = 151,1 oC
Phía hỗn hợp: t2tb = t1tb – ∆ttb = 151,1 -71,12 = 79,98 oC
3.2.1.Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:
𝛼1 = 2,04. 𝐴1. ( 𝑟1 ∆𝑡1. 𝐻)
0,25
[ 𝑊/𝑚2. độ]
∆𝑡1: chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 3m
A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
Giả thiết ∆t1 = 3,9 ℃ => tT1 = tbh - ∆t1 = 151,1 – 3,9 = 147,2 ℃
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm = 0,5. (tT1 + ∆t1) = 0,5. (146,5 + 151,1) = 149,15 ℃ nội suy theo bảng số liệu [3 – 29] ta có A = 195,37
Do đó:
𝛼1 = 2,04.195,37. (211700 3,9.3 )
0,25
= 8220,00 [ 𝑊/𝑚2. độ]
3.2.2. Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q1 = α1. ∆t1
= 8220. 3,9 = 32058 (W/m2)
3.2.3.Hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp chảy xoáy
Theo công thức V.40 [2-14] có: Nu = 0,021. ε1. Re0,8. Pr0,43. (Pr
Prt)0,25
Trong đó:
+ Prt là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của tường + ε1 là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường
kính d của ống. + Tỉ số Pr
Prt thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội). Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ thì (Pr
Prt)0,25 ≈ 1 [3 – 15]
a, Tính chuẩn số Pr
Pr = Cp. μ
λ [ 3 – 12 – V.35] Trong đó:
+ Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại t2tb = 79,89 ℃. + μ là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở t2tb = 79,89 ℃.
+ λ: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch - Độ nhớt.
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước, t1 = 20oC; t2 = 30 oC Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có:
t1 = 20oC, x = 5% → μ11 = 0,98. 10−3 [N.s/m2] t2 = 30oC, x = 5% → μ21 = 0,8. 10−3[N.s/m2]