CHƯƠNG III : THIẾT KẾ CHÍNH
3.7 Chọn tai treo
3.7.6 Trọng lượng của nắp buồng bốc
Tính tải trọng của nắp theo cơng thức gần đúng sau:
Gn = Fn , Sn .ρt .g
Fn – bề mặt trong của nắp buồng bốc, xác định theo bảng XIII.10, trang382, sổ tay quá trình và thiết bị tập 2
Fn = 4,48 m2
Sn – chiều dày nắp buồng bốc, Sn = 0,005 m Gn = 4,48.0,005.7930.9,81 =1742,570(N )
SVTH: Đặng Thái Ân
GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt 3.7.7 Trọng lượng của bích G = 2. π .(D 2− D 2 ).h.g.ρ bích 4 n Bích Buồng đốt Buồng bốc Hơi đốt Hơi thứ Ống dẫn dung dịch Tháo nước ngưng Tổng khối lượng bích
SVTH: Đặng Thái Ân
GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt 3.7.8 Trọng lượng của hơi
G h
Gdd = 1,869.9,81.1,6. 3,14.1,64 2 = 58,983(N )
3.7.9 Trọng lượng của lớp cách nhiệt
Vật liệu cách nhiệt là bơng thủy tinh có Tính trọng lượng của lớp cách nhiệt cho
ρ = 200 (kg/m3)
G = π
.(D
bích
4 n
Với: Dn, Dt là đường kính ngồi và đường kính trong của lớp cách nhiệt
=
G cn1
Trọng lượng của lớp cách nhiệt buồng bốc:
= 200.9,81.1,6.3,14 ⋅
G
cn 2
Vậy tổng trọng lượng lớp cách nhiệt: Gcn = 700,714 (N)
3.7.10. Tổng trọng lượng thiết bị và tải trọng tai treo
Tổng trọng lượng của thiết bị: ∆G = 31137,826 (N)
Tải trọng tác dụng lên 1 tai treo: (N)
SVTH: Đặng Thái Ân
GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt
Tra bảng XIII.35, trang 437, sổ tay quá trình và thiết bị tập 2, ta có bảng sau: Tải trọng phép tác dụng lên một tai treo: 2,5.104 (N).
Bề mặt đỡ: 173 (m2).
Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ: 1,45.106 (N/m2)
Bảng 3- 8 Tai treo bằng thép SUS304 đối với thiết bị thẳng đứng
L (mm) B (mm)
150 120
GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt
CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
4.1. Cân bằng vật liệu
Thông số và số liệu ban đầu Dung dịch cô đặc : NaNO3
Nồng độ đầu của dung dịch : 14% Nồng độ cuối của dung dịch : 46%
Năng suất tính theo dung dịch đầu : 7000kg/h
4.1.1 Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ
Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt lượng: Gn =
Trong đó:
W .(i − C
(kg/s) (Cơng thức V.51, Trang 84, [2])
W3 : Lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ (kg/s) W3 = 1308,637 kg/h = 0,364 kg/s
i : Hàm nhiệt của hơi ngưng tụ (J/kg), i=2620.103 (J/kg) t2d , t2c : Nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của nước (0C) Chọn:
Nhiệt độ trung bình cuả nước: t
Cn: Nhiệt dung riêng trung bình cuả nước (J/kg.độ) Tra theo ttb ta được Cn =4178 (J/kg.độ)
Vậy:
G =
n
4178.
4.1.2 Lượng khơng khí và khí khơng ngưng cần rút ra khỏi thiết bị
Lượng khí khơng ngưng và khơng khí được hút ra khỏi thiết bị là có sẵn trong hơi thứ, chui qua lỗ hở của thiết bị hoặc bốc ra từ nước làm lạnh.
GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt
Chính lượng khí khơng ngưng và khơng khí này vào thiết bị ngưng tụ đã làm giảm độ chân không, áp suất hơi riêng phần và hàm lượng tương đối của hơi trong hỗn hợp giảm, đồng thời làm giảm hệ số truyền nhiệt của thiết bị. Vì vậy cần phải liên tục hút khí khơng ngưng và khơng khí ra khỏi thiết bị.
Lượng khí khơng ngưng và khơng khí được hút ra khỏi thiết bị:
G = 0,2510
kk
(Cơng thức VI.47, trang 84, [2]) Với:
Gkk :lượng khí khơng ngưng, khơng khí được hút ra khỏi thiết bị (kg/s)
G = 0,25.10
kk
(kg/s)
Thể tích khí khơng ngưng và khơng khí được hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ: Vkk = 288.G
kk
p − p (Cơng thức VI.49, trang 84,[2])
Với:
Vkk: thể tích khí khơng ngưng và khơng khí (m3/s)
P: áp suất chung của hỗn hợp khí trong thiết bị ngưng tụ(N/m2)
Ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp(N/m2), lấy bằng áp suất hơi bão hịa ở nhiệt độ của khơng khí (tkk)
Nhiệt độ của khơng khí được xác định như sau: tkk = t2d + 4 + 0,1.(t2c – t2d) = 30,5(0C)
⇒ Ph = 0,0447 at
Vậy: Vkk =
4.2. Kích thước thiết bị ngưng tụ4.2.1 Đường kính 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 ⋅
tr
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
2
+ 50 (mm) (Cơng 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 toàn 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 công thức
t = 0,866.d Với:
d: đường kính của lỗ, (mm).
fe
:tỷ số giữa tổng diện tích tiết diện các lỗ với diện tích tiết diện của thiết bị
f
tb
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 −
t
2d
2d
Với: t2c , t2d : nhiệt độ cuối , đầu của nước tưới vào thiết bị
tbh : nhiệt độ của hơi nước bão hòa ngưng tụ
P =
t
2c − t2d
t
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 quá 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 cơng 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 =
B
chọn dB = 200 mm
4.2.4.2 Chiều cao ống Baromet
Chiều cao của ống Baromet được tính theo cơng 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 ông baromet cần để khắc phục toàn 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 công thức sau:
1
= −2lg λ
(Công thức II.65, trang 380, [1])
Với: ∆ : độ nhám tương đối xác định theo công thức sau: = ε
dtd
(Công 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 không cho thiết bị ngưng tụ va thiết bị cơ đặc. Trong thực tế q trình hút khí là q trình đa biến nên:
Cơng của bơm chân khơng:
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 : cơng của bơm chân khơng ( 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:
N
đc
Với:
β
η
: 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 toàn 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. Công 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). (Công 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.
=
H
c
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:
N
Người ta thường lấy động cơ có cơng suất lớn hơn cơng suất tính tốn để tránh hiện tượng quá 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). Công 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:
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 quá 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). Công suất của bơm được tính theo cơng thức:
SVTH: Đặng Thái Ân
GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt