Kích thước thiết bị ngưng tụ

CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ

4.2. Kích thước thiết bị ngưng tụ

4.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ

Đường kính của thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức:

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt Dtr = 1,383. Với: W ρ h

(m) (Công thức VI.52, trang 84, [2])

Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ (m) W:lượng hơi ngưng tụ(kg/s)

h:khối lượng riêng của hơi (kg/m3)

Ph= 0,1 at tra bảng I.251,STQTTB,T2/314 suy ra ρ =0,1876 (kg/m3) h:tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ (m/s). Chọn h= 30 m/s

D =1,3833 ⋅

Chọn đường kính thiết bị ngưng tụ là dtr= 400 mm

4.2.2 Kích thước tấm ngăn

Để đảm bảo làm việc tốt , tấm ngăn phải có dạng hình viên phân. Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức sau:

b = Với:

Dt r

+ 50 (mm) (Công thức VI.53, trang 85, [2])

Dt r

:đường kính trong của thiết bị ngưng tụ (mm)

Vì trên tấm ngăn có nhiều lỗ nhỏ, lấy nước sạch để làm nguội, chọn đường kính của lỗ là 2 mm

Ta có:

b =

Chiều cao của gờ cạnh tấm ngăn là 40 mm Chọn chiều dày tấm ngăn là 4 mm

Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong tồn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ nghĩa là trên một cặp tấm ngăn:

f =

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Với:

Gn: lưu lượng nước(m3/s)

ωc : tốc độ tia nước (m/s); chọn ωc =0,62 (m/s)

n : khối lượng riêng của nước (kg/m3); (Tra bảng I.249, trang 310, [1])

n =994,55 (kg/m3)

f = 994,55.0,6214,247

= 0,023(m 2 )

Các lỗ trên tấm ngăn sắp xếp theo hình lục giác đều nên ta có thể xác định bước của các lỗ bằng cơng thức

t = 0,866.d Với:

d: đường kính của lỗ, (mm).

:tỷ số giữa tổng diện tích tiết diện các lỗ với diện tích tiết diện của thiết bị

ngưng tụ, thường lấy fe

ftb = 0,025 – 0,1. Chọn fe ft b = 0,1 Nên: t 0,548 (mm) SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt 4.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ

Để chọn khoảng cách trung bình giữa các tấm ngăn và tổng chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ , ta dựa vào mức độ đun nóng nước và thời gian lưu của nước trong thiết bị ngưng tụ .

Mức độ đun nóng nước được xác định: P = t2c − t

tbh −

Với: t2c , t2d : nhiệt độ cuối , đầu của nước tưới vào thiết bị

tbh : nhiệt độ của hơi nước bão hòa ngưng tụ

P =

2c − t2d

bh − t2d

Tra bảng VI.7, trang 86, sổ tay quá trình và thiết bị tập 2:

− Số ngăn = 4, số bậc = 2, khoảng cách giữa các tấm ngăn là 300mm,

thời gian rơi qua mỗi bật là 0,35 s

Tra bảng VI.8, trang88, sổ tay q trình và thiết bị tập 2, ta có:

− Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là a = 1300mm − Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị là b = 1200mm − Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi:

K1 = 675 mm ; K2= 835 mm

− Chiều cao của hệ thống thiết bị H = 4300 mm − Chiều rộng của hệ thống thiết bị: T = 1300 mm − Đường kính của thiết bị thu hồi: 400 mm − Chiều cao của thiết bị thu hồi: 1440 mm

4.2.4 Thiết bị ngưng tụ Baromet

4.2.4.1 Kích thước ống Baromet

Áp suất trong thiết bị ngưng tụ là 0,3(at) do đó để tháo nước ngưng và hơi ngưng tụ một cách tự nhiên thì thiết bị phải có ống Baromet.

Đường kính ơng Baromet được xác định theo công thức:

dB =

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Trong đó:

Gn: Lượng nước lạnh tưới vào tháp (kg/s) W: Lượng hơi ngưng tụ (kg/s)

ω: Tốc độ của hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống Baromet

Chọn ω = 0,5 m/s Vậy:

d =

chọn dB = 200 mm

4.2.4.2 Chiều cao ống Baromet

Chiều cao của ống Baromet được tính theo công thức:

H= h1+h2+0,5 (m) (Công thức VI.58, trang 86, [2]) Với:

h1: chiều cao của cột nước trong ống cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ.(m)

h2: chiều cao của cột nước trong ơng baromet cần để khắc phục tồn bộ trở lực của nước khi nước chảy trong ống(m).

0,5(m): chiều cao dự trữ để ngăn ngừa nước dâng lêntrong ống và chảy tràn vào đường ống dẫn hơi khi áp suất khí quyển tăng.

Ta có:

h1 = 10,33 . b

760

Ở đây b là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ (mmHg) b = (1 – 0,1) .760 = 684 (mmHg)

Nên h1 = 10,33 ⋅ 684760 = 9,297(m)

h2 = ω2

(1 + λ. H + ∑ζ (m) (Công thứcVI.60, Trang 87, [2]).

2.g d

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Hệ số trở lực khi vào đường ống lấy thức trên có dạng như sau: h2 =

Với: H: toàn bộ chiều cao ống Bazomet (m) d : đường kính trong của ống Bazomet(m)

λ : hệ số ma sát khi nước chảy trong ống

Để tính λ ta tính hệ số chuẩn Re khi chất lỏng chảy trong ống Bazomet:

Re = (Công thức VI.4, trang 359, [2]) Với: dB: đường kính ống dẫn.(m)

ρn : khối lượng riêng của nước,

µ : độ nhớt của nước ở 250C đến 400C ,

→ Re =

10 (N.s/m2)

Vậy ống Bazomet có chế độ chảy xốy, ở chế độ chảy xốy ta có thể xác định hệ số ma sát theo cơng thức sau:

= −2lg λ

(Công thức II.65, trang 380, [1])

Với: ∆ : độ nhám tương đối xác định theo công thức sau: = ε

dtd

(Cơng thức II.66, trang380, [1]) Trong đó:

: độ nhám tuyệt đối: ε = 0,1(mm)

dtd: đường kính tương đương của ống(m), dtd=0,25(m)

 ∆ =0,1.10−3 = 0,4.10−3 0,25

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt → Nên: = h 2 Và : H = h1+h2+0,5 = 9,297+0,5+0,0319+0,001.H ⇒ H = 9,838 (m)

Nhưng trong thực tế, còn lấy thêm chiều cao dự trữ để tránh hiện tượng nước dâng lên ngập thiết bị đó, ta chọn chiều cao của Baromet là 10m.

4.3 Tính tốn và chọn bơm 4.3.1 Bơm chân khơng

Ngồi tác dụng hút khí khơng ngưng và khơng khí, bơm chân khơng cịn có tác dụng tạo độ chân khơng cho thiết bị ngưng tụ va thiết bị cô đặc. Trong thực tế q trình hút khí là q trình đa biến nên:

Cơng của bơm chân không:

N =

(Công thức II.242a, trang 465, [1])

Với: P1 : áp suất khí lúc hút (N/m2); P1 = Pkk

P2 : áp suất khí lúc đẩy (N/m2).

m : chỉ số đa biến của khơng khí, lấy m = 1,25.

ck : hiệu số cơ khí của bơm chân khơng kiểu pittơng, µck = 0,9. N : công của bơm chân không ( W).

Vkk: thể tích riêng của khí khơng ngưng và khơng khí được hút ra khỏi hệ thống (m3/kg).

P1= Pck – Ph = (0,1 – 0,068).9,81.104 = 3139,2 (N/m2) Ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Chọn: P2= 1,033(at) = 101337,3 (N/m2).

⇒ N =

Vậy công suất tiêu hao của bơm chân không là: N = 332,521 (W) Công suất của động cơ điện:

đc

Với:

: hệ số dự trữ công suất,thường lấy

tr : hiệu suất truyền động , chọn ηtr

η d

⇒ N =

Vậy công suất của động cơ bơm chân không là 408,359 (W).

4.3.2 Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

Chọn bơm ly tâm 1 guồng để bơm nước lạnh lên thiết bị ngưng tụ, ta chọn chiều cao ống hút và ống đẩy của bơm là: Ho= 15 (m).

Chiều dài tồn bộ đường ống là: 20 (m).  Đường kính ống hút và đẩy:

d = = (chọn ω = 2m/s)

Chọn đường kính trong của ống dẫn bằng 0,12 m. Cơng suất hiệu dụng của bơm được tính theo cơng thức sau:

N= Q.H.ρ

.g(KW ) (Công thức II.189, trang 439, [1]) 1000.η

Với: ρ: khối lượng riêng của nước ở 25(oC).=997,08

Q: năng suất của bơm m3/s).

Q = 14,247997,08 = 0,0143(m3 / s)

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

H: áp suất toàn phần (áp suất cần thiết để chất lỏng chảy trong ống)

η : hiệu suất của bơm, chọn η =0,85 (Tra bảng II.32, [1]/ 439) H = Hm + Ho+ Hc (m). (Cơng thức II.185, trang 438, [1])

Trong đó:

Hm : trở lực thủy lực trong mạng ống.

Hc : chênh lệch áp suất ở cuối ống đẩy và đầu ống hút.

Ho : tổng chiều dài hình học mà chất lỏng được đưa lên ( gồm chiều cao hút và chiều cao đẩy )

Tính H m :

= λ. H 1 H 2= Khi đó : Hm Với:

l: chiều dài tồn bộ ống, l = 20(m).

d: đường kính trong của ống, d = 0,12(m). ω : tốc độ của nước trong ống, ω = 2(m/s)

λ : hệ số ma sát

∑ξ : hệ số trở lực chung.

Hệ số ma sát được xác định qua chế độ chảy Re: Re =

Với:

µ : độ nhớt của nước ở 25(oC)

µ =0,890.10-3(N.s/m2) ( Tra bảng I.102, trang 94, [1])

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

→ Re =

Nên trong ống có chế độ chảy xốy, nên ta dùng cơng thức sau để tính hệ số ma sát:

Hệ số ma sát được xác định:

(Công thức II.65, trang 380, [1])

Với:

∆ là độ nhám tương đối được xác định theo cơng thức sau:

 = ε

dtd

Trong đó:

d tđ : đường kính tương đối của ống(m) ε : độ nhám tuyệt đối, ε = 0,1(mm)  ∆ = 0,1.10−3 = 0,830.10−3

0,12

0,020

1 (W/m.độ)

Tổng trở lực được xác định theo bảng II.16,STQTTB, trang 382, sổ tay quá trình và thiết bị tập 1:

cửa vào= 0,5 (Bảng N010) cửa ra= 1 (Bảng N010) Co 900

= 0,38 (6 khuỷu) (Bảng N029) van tiêu chuẩn= 4,4(Bảng N037)

ξ van một chiều= 6,84 (Bảng N047)

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt Vậy:  H m = 0,02 

Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy và đầu ống hút:

Với:P1, P2: áp suất tương ứng đầu ống hút, cuối ống đẩy.

Áp suất toàn phần của bơm là:

H = 3,745 + 15,02 + (- 9,026) = 9,739(m) Công suất của bơm:

N =

Công suất của động cơ điện:

Người ta thường lấy động cơ có cơng suất lớn hơn cơng suất tính tốn để tránh hiện tượng q tải. Vì Ndc nằm trong khoảng 1 −5 (KW) nên tra bảng II.33, trang 440, sổ tay quá trình và thiết bi tập 1, chọn hệ số dự trữ β =1,3

Nên : Ndc = βNêc =1,3.1,77 = 2,2854(KW )

4.3.3. Bơm dung dịch từ nồi 3 vào nồi 2

Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút và chiều cao đẩy là 4 (m). Cơng suất của bơm được tính theo cơng thức:

n = H .Q.ρ.g

1000.η Với: η : hiệu suất của bơm, chọn η = 0,85

: khối lượng riêng của dung dịch có C = 19,725%; t = 63,03(oC)

ρ = 870,23(kg/m3) (Tra bảng I.21, trang 58, [1])  = 0,242.10-3 (N.s/m2)

Q : năng suất của bơm (m3/s) SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

G: lưu lượng bơm (Kg/s)

H : áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động trong ống H= Hm+ Hc+Ho

Với: Hm: trở lực trong mạng ống

Hc: chênh lệch áp suất ở cuối ống đẩy, đầu ống hút Ho: chiều cao ống hút và đẩy, chọn: Ho=15(m)

 Tính Q:

Q =

Với: Gd là lượng dung dịch đầu (kg/s)

Q =

 Đường kính ống hút và ống đẩy:

d = 0,048(m) (chọn ω = 1m/s)

Chọn đường kính ống hút và đẩy dung dịch lên thùng cao vị d = 50(mm) Vậy vận tốc thực là 0,915 m/s

 Tính Hm:

Hệ số ma sát được tính qua chế độ chảy Re:

→ Re =

(W/m.độ)

Với:

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

= ε = 0,1.10−3 = 0,002

d0,06

Tổng trở lực: tra theo bảng II.16, trang 382, sổ tay quá trình và thiết bị tập 1; ta có:

∑ξ cửa vào= 0,5 (Bảng N010)

∑ξ cửa ra= 1 (Bảng N010)

ξ Co 900= 0,38 (3 khuỷu) (Bảng N034)

ξ van tiêu chuẩn= 4,45 (Bảng N037) ξ chắn= 0,5 (Bảng N047) → ∑ ξ = 0,5 +1+3.0,38 + 4,45 Vậy: H m H = c

Áp suất toàn phần của bơm:

H= 0,65 + 11,53 +8 = 23,091(m). Công suất của bơm:

N =

1000.0,85 Công suất của động cơ điện:

N (KW)

Người ta thường lấy động cơ có cơng suất lớn hơn cơng suất tính tốn để tránh hiện tượng q tải. Vì Ndc <1KW (tra bảngII.33, [1]/ 440) chọn hệ số dự trữ β = 1,7

Suy ra: N =1,7.0,573 = 0,0153(KW )

4.3.4 Bơm dung dịch từ nồi 2 vào nồi 1

Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút và chiều cao đẩy là 4 (m). Cơng suất của bơm được tính theo cơng thức:

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

n = H .Q.ρ.g

Với: η : hiệu suất của bơm, chọn η = 0,85

ρ : khối lượng riêng của dung dịch có C = 20,706%; t = 96,9( ρ = 901,45(kg/m3)

µ = 0,377.10-3 (N.s/m2)

Q : năng suất của bơm (m3/s) G: lưu lượng bơm (Kg/s)

H : áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động trong ống H= Hm+ Hc+Ho

Với: Hm: trở lực trong mạng ống

Hc: chênh lệch áp suất ở cuối ống đẩy, đầu ống hút Ho: chiều cao ống hút và đẩy, chọn: Ho=15(m)

 Tính Q:

Với: Gd là lượng dung dịch đầu (kg/s)

Q =

901,45.3600  Đường kính ống hút và ống đẩy:

d = 0,041(m) (chọn ω = 1m/s)

Chọn đường kính ống hút và đẩy dung dịch lên thùng cao vị d = 50 (mm) Vậy vận tốc thực là 0,98 m/s

 Tính Hm:

Hệ số ma sát được tính qua chế độ chảy Re:

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

→ Re =

Có chế độ chảy xốy, suy ra:

(W/m.độ)

Với:

= ε = 0,1.10−3 = 2.10−3

d0,05

Tổng trở lực: theo bảng II.16, trang 382, sổ tay quá trình và thiết bị tập 1; ta có:

∑ξ cửa vào= 0,5 (Bảng N010)

∑ξ cửa ra= 1 (Bảng N010)

ξ Co 900= 0,38 (3 khuỷu) (Bảng N034) ξ van tiêu chuẩn= 4,45 (Bảng N037) ξ chắn= 0,5 (Bảng N047) → ∑ ξ = 0,5 +1+3.0,38 + 4,45 Vậy:  H m = 0,025 

= p H c H c=

Áp suất toàn phần của bơm: H= 0,79+ 11,09 +8 = 19,88(m). Công suất của bơm:

N =

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Công suất của động cơ điện:

N (KW)

Suy ra: N =1,7.0,39 = 0,66(KW )

4.3.5 Bơm dung dịch từ nồi thiết bị gia vào bể chứa sản phẩm

Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút và chiều cao đẩy là 1 (m). Chiều dài của ống là 10 (m)

Cơng suất của bơm được tính theo cơng thức:

n = H.Q.g.ρ

Với: η

ρ ρ

: hiệu suất của bơm, chọn η

: khối lượng riêng của dung dịch có C = 46 %; t = 124,92(oC) = 962,14(kg/m3)

Q : năng suất của bơm (m3/s) G: lưu lượng bơm (Kg/s)

H : áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động trong ống H= Hm+ Hc+Ho

Với: Hm: trở lực trong mạng ống

Hc: chênh lệch áp suất ở cuối ống đẩy, đầu ống hút Ho: chiều cao ống hút và đẩy, chọn: Ho=1 (m)

 Tính Hm

H =  λ l + ∑ξ  ω 2 ( m).

m 

 d 2.g

Chọn đường kính ống hút và đẩy dung dịch d = 50 (mm)

ω =

µdd = 0,252.10-3(N.s/m2) SVTH: Đặng Thái Ân

1000.η

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Hệ số ma sát được tính qua chế độ chảy Re:

→ Re =

Có chế độ chảy xốy, suy ra:

Với: = ε = 0,1.10−3 = 2.10−3 d0,05 Tổng trở lực: theo bảng II.16,STQTTB,T1/Trang 382; ta có: ∑ξ cửa vào= 0,5 (Bảng N010) ∑ξ cửa ra= 1 (Bảng N010) ξ Co 900= 0,38 (3 cái) (Bảng N029) ξ van tiêu chuẩn= 4,1 (Bảng N037) ξ van một chiều= 11,43 (Bảng N047)  ∑ξ = 0,5 +1+3.0,38 + 4,1+11,43 =18,17 Vậy: =  H m 0,026  Tính Hc: H = c 2 ρg

P1: áp suất đầu ống hút, P1=0.258(at) (bỏ qua áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong ống truyền nhiệt).

P2: áp suất cuối ống đẩy, P2=1at

SVTH: Đặng Thái Ân

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

p H

Áp suất toàn phần của bơm: H= 1+ 0,51 + 6,91 = 10,633 (m). Công suất của bơm:

N =

Công suất của động cơ điện:

N =

Người ta thường lấy động cơ có cơng suất lớn hơn cơng suất tính tốn để tránh hiện tượng q tải. Vì Ndc

=1,7.

Suy ra: N =1,7.0,127 = 0,245(KW )

4.4. Thiết bị gia nhiệt4.4.1 Mục đích: 4.4.1 Mục đích:

Mục đích của q trình gia nhiệt ở thiết bị gia nhiệt đó là nâng nhiệt độ dung dịch nước mía lên đến điểm sơi trước khi vào hệ thống cơ đặc. Khi vào thiết bị cơ đặc thì dung dịch nước mía sơi và bốc hơi ngay nên rút ngắn được thời gian cô đặc và không phải mất thêm nhiệt lượng cho việc gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.

4.4.2 Cân bằng nhiệt lượng:

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (

Đường kính trong buồng đốt