n ,(ống)
F: Bề mặt truyền nhiệt, F=70,1 m2
d: đường kính ống truyền nhiệt ở đây α1> α2 nên chọn đường kính trong d = 25mm = 25∗10-3m
l: chiều dài ống truyền nhiệt, m (l =2,5m)
n = = 357 (ống)
Vậy chọn bố trí ống theo hình lục giác đều, xếp đều các hình viên phân. 2.4.2. Đường kính trong buồng đốt
Bố trí ống theo hình lục giác đều, đường kính trong buồng đốt được tính theo công thức:
Dtđ= , m
β = t/dng, với t là bước ống. Chọn t = 1,3.dng → β = 1,3
dng: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dng = 27 mm = 27*10-3 m ψ: hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường ψ = 0,7 ÷ 0,9 → Chọn ψ = 0,8 l: chiều dài ống truyền nhiệt, l = 4 m
Dtd = = 0,75 (m)
Chọn Dtd = 1 (m)
2.5. KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC
Đường kính buồng bốc:
Dbb= , m
Vkgh: thể tích không gian hơi, m3
Vkgh= , m3
W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h
Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tíchhơi nước bốc hơi trên 1 đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trong 1 đơn vịthời gian), m3/m3
Ở áp suất thường Utt = 1600 ÷1700 m3/m3
*h , áp suất hơi thứ có ảnh hưởngđáng kể đến Utt. Tuy nhiên không có số liệu hiệu chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 1 atmnên có thể chọn Utt = 1600 m3/m3
*h
ρh: khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3 Hkgh: chiều cao không gian hơi, m
Hkgh= , m
Ta sẽ chọn Dbb, sau đó tính Hkgh. Thường đường kính buồng bốc lớn hơn đường kính buồng đốt không quá 0,6m.
Chọn Dbb = Dtđ + 0,4 = 1 + 0,5 = 1,5 (m) Bảng 2.11. Kích thước buồng bốc Nồi Tht (0C) Pht (at) ρh (kg/m3) Utt (m3/m3*h) W (kg/h) Vkgh (m3) Dbb (m) Hkgh (m) 1 158,0038 5,9863 3,1105 1.600 629,37 0,127 1,5 0,2 2 123,9516 2,3272 1,2583 1.600 692,31 0,344 1,5 0,54 3 60,7 0,2104 0,1344 1.600 755,24 3,512 1,5 1,98
Do dung dịch chiếm h1 = 0,5 m chiều cao buồng bốc nên tổng chiều cao tối thiểu buồng bốc là:
Hbb = Hkgh + h1 = 1,98 + 0,5 = 2,48 (m)
Do đó chọn tổng chiều cao buồng bốc 2 nồi đều là 2,5 m, chiều dày 2 mm. Vậy ta có: Dbb = 1,5m ; Hbb = 2,5m
2.6. ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN
Đường kính trong các ống dẫn và cửa ra vào thiết bị được xác định theo công thức:
D = , m [AII – 74] – (VI.42) Vs: lưu lượng khí (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m3/s
ω: tốc độ thích hợp của (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m/s
2.6.1. Đối với dung dịch và nước ngưng
ρ: khối lượng riêng dung dịch, nước ngưng ở nhiệt độ tương ứng, kg/m3 ω trong khoảng 0,5 ÷1 m/s
2.6.2. Đối với hơi bão hòa
Vs = G.v”, m3/s
G: khối lượng hơi đi trong ống, kg/s
v”: thể tích riêng của hơi ở nhiệt độ tương ứng, m3/kg ω trong khoảng 20 ÷ 40 m/s Bảng 2.12. Kích thước các ống dẫn G (kg/h) ρdd (kg/m3) v” hơi (m3/kg) Vs (m3/s) ω (m/s) d (m) dchuẩn (mm) Bề dày (mm) Ống nhập liệu 2500 1.046 0,000664 0,5 0,0411 70 3,683 Ống tháo sản phẩm Nồi 1 1.870,63 1.052 0,000494 0,5 0,0355 50 3,556 Nồi 2 1.178,32 1.105,3 0,000296 0,5 0,0275 50 2,7686 Nồi 3 423,8 1.332,2 0,000088 0,5 0,0150 50 1,8586 Ống dẫn hơi đốt 804,8 0,2545 0,056 20 0,0516 140 6,5532 Ống dẫn hơi thứ Nồi 1 629,37 0,3762 0,066 20 0,0557 200 9,271 Nồi 2 692,31 0,8675 0,17 20 0,0906 200 9,525 Nồi 3 755,24 6,4159 1,346 20 0,2542 200 9,765 Ống nước ngưng Nồi 1 804,8 1.195,7 0,000187 0,5 0,022 33,401 3,3782 Nồi 2 629,37 1.253,42 0,000139 0,5 0,019 23,655 3,3782 Nồi 3 692,31 1.244,52 0,000155 0,5 0,020 26,773 3,3782
CHƯƠNG 3. Thiết Bị Phụ - Thiết Bị Ngưng Tụ Baromet 3.1. Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ
Gn= , kg/s [AII – 84] – (VI.51) 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 : Hàm nhiệt của hơi ngưng, J/kg
t2d, t2c: Nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, 0C Cn: Nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ
Ở đây W = W3 = 755,24 (kg/h) = 755,24/3600 (kg/s) = 0,2098 (kg/s) Chọn t2d = 30 0C, t2c = 40 0C ⇒ nhiệt độ trung bình là 350C
⇒Cn(35 0C) = 4.180 J/kg.độ ⇒ i = 2.609,588 *103( J/kg) Lúc đó Gn = = 13,1 (kg/s)
3.2. Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi Baromet
Mà: Gk = 25*10-6
*(W + Gn) + 0,01W = 25 *10-6
*(0,2098 + 13,1 ) + 0,01∗0,2098= 2,432∗10-3 (kg/s) ⇒ Vk = = = 0,0020 (m3/s)
3.3. Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ
3.3.1. Đường kính trong
Dba = 1,383*, m W: lượng hơi ngưng tụ, W = 0,031
: khối lượng riêng của hơi ngưng tụ = 0,1301 ( kg/m3) : tốc độ của hơi đi trong thiết bị ngưng tụ, m/s, = 55 (m/s) ⇒ Dba = 1,383* = 1,383* = 0,2619 (m)
Dựa vào dãy đường kính chuẩn của thiết bị ngưng tụ [AII – 88] – (VI.8) chọnDba = 0,5 m = 500 mm
3.3.2. Kích thước tấm ngăn
- Tấm ngăn có dạng hình viên phân, để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn b có thể được xác định như sau:
b = + 50 = 300 mm
- Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ: Nếu nước làm nguội là nước sạch nên lấy đường kính các lỗ bằng 2 mm, nếu nước bẩn là 5mm.
⇒ Chọn đường kính lỗ 2 mm
- Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên 1 cặp tấm ngăn là:
f = , m2
Với : lưu lượng hơi nước, m3/s
Ở nhiệt độ trung bình 350C, khối lượng riêng của nước là 994 kg/m3 Gn = = 0,013 (m3/s)
: tốc độ của tia nước, m/s. Tốc độ tia nước khi chiều cao gờ của tấm ngăn là 40 mm thì = 0,62 m/s.
⇒ f = = = 0,021 (m2)
3.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ
Mức độ đun nóng được xác định theo công thức: P = == 0,326
Dựa vào mức độ đun nóng với đường kính lỗ 2 mm, tra bảng [AII -86] - (VI.7) ta có:
- Số ngăn: 6 - Số bậc: 3
- Khoảng cách trung bình giữa các ngăn: 300 mm
Tra bảng [AII -88] - (VI.8) với đường kính trong Dba = 500 mm ta có những kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet như sau:
Bảng 3.1. Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet
Các thành phần của thiết bị ngưng tụ Kích thước
Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy
Bề rộng của tấm ngăn
Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ với thiết bị thu hồi Chiều cao của hệ thống thiết bị
Chiều rộng của hệ thống thiết bị Đường kính thiết bị thu hồi Chiều cao thiết bị hu hồi
Đường kính các cửa ra và vào:
Hơi vào Nước vào
Hỗn hợp khí và hơi ra Nối với ống Baromet
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet
3.3.4.1. Đường kính trong
dba = , m
W: lượng hơi ngưng, W = 0,031 kg/s
Gn: lượng hơi nước lạnh tưới vào tháp, Gn = 13,1 kg/s
: tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s; thường lấy = 0,5 m/s.
⇒dba = = = 0,182 m = 182 mm
Chọn đường kính chuẩn của ống baromet là 182mm và chiều dày là 2 mm.
3.3.4.2. Chiều cao ống Baromet
H = h1 + h1 + 0,5 (1)
Trong đó:
h1: chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số áp suất trong thiết bị ngưng tụ và khí quyển.
h2: chiều cao cột nước trong ống Baromet cần thiết để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống (m)
h1 = 10,33 * , m [AII – 86] – (VI.59)
Với P0 là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ, mmHg; P0 =( 1–Png).760, mmHg ⇒ P0 = (1 – 0,2) *760 = 608 (mmHg)
⇒ h1 = 10,33 *= 10,33 * = 8,264 (m)
h2 = , (m) (2) [AII – 87] – (VI.60) với : hệ số ma sát chọn = 0,025
: hệ số trở lực khi vào và ra khỏi ống = 1)
: tốc độ của nước lạnh và nước ngưng chảy trong thiết bị ( = 0,5) Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được : H = 8,81 (m)
Vậy để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy vào ống dẫn hơi thứ khi độ chân không tăng cao ngay cả trong trường hợp mực nước là 10,33 m chọn:
Hba = 11 m Chọn vật liệu làm ống là thép CT3
CHƯƠNG 4. Tính Cơ Khí 4.1. Chiều dày thiết bị
4.1.1. Nồi 1
a. Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong
Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức
S =, m
Khi 50 có thể bỏ qua p ở mẫu số
Dt: Đường kính trong buồng đốt, Dt = 1m
φ: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, tra bảng [AII – 362] – (XIII.8) ta được φ = φh = 0,95
C: Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dùng sai về chiều dày, m C = C1 + C2 + C3
C1: Số bổ sung do ăn mòn , đối với vật liệu bền ( 0,05 ÷ 0,1 mm/năm ) lấy C1 = 1mm
C2: Số bổ sung do hao mòn, khi tính toán thiết bị hóa chất có thể bỏ qua C2
C3: Số bổ sung do dung sai chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, chọn
C3 = 0.6mm [AII – 364] – (XIII.9)
⇒ C = C1 + C2 + C3 = 1 + 0 + 0,6 = 1,6 mm P : Áp suất trong thiết bị, N/m2
- Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi-lỏng, áp suất được tính như sau:
p = pmt + p1, N/m2 [AII – 360] – (XIII.10)
pmt: Áp suất của hơi trong thiết bị, N/m2 ⇒pmt= 12 at =12* 9,81*104 = 1.177.200 N/m2
ρ1: Khối lượng riêng chất lỏng ( ở 187,10C), ρ1= 1.048,31(kg/m3) H1: Chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H1 = 2,5m g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2
⇒p1 = g *ρ1*H1=9,81*1.048,31* 2,5 = 41.135,68 (N/m2)
⇒ p = pmt + p1=1.177.200 + 41.135,68 = 1.218.335,68 (N/m2)
• Tính ứng suất cho phép [σ]:
Chọn vật liệu thiết kế là thép CT3 thì ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền. Lấy giá trị nhỏ nhất từ các công thức sau:
[σk] = η , N/m2 [AII – 355] – (XIII.1)
[σc] = η , N/m2 Trong đó:
[σk], [σc]: ứng suất cho phép khi kéo, khi chảy, N/m2 η: Hệ số hiệu chỉnh
, Hệ số an toàn khi giới hạn kéo và khi giới hạn chảy : Giới hạn bền khi kéo, giới hạn chảy, N/m2
Tra bảng [AII – 356] – (XIII.2) ta được η = 0,9 Tra bảng [AII – 356] – (XIII.3) ta được , =2 Tra bảng [AII – 356] – (XIII.4) ta được:
= 380 *106 N/m2; = 240 *106 N/m2 ⇒ [σk] = η = 0,9 = 97,71*106 N/m2
⇒[σc] = η = 0,9 = 108*106 N/m2
⇒ S = = 1,6*10-3 = 6,6mm
Chọn S = 7 mm
• Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: σ= ≤ ,N/m2
Áp suất thử tính toán p0 được xác định theo công thức: P0 = pth + p1 ,N/m2
pth : Áp suất thủy lực, N/m2
Tra bảng [AII – 356] – (XIII.5) ta có:
pth = 1,5 * ptm = 1,5 * 117.720 = 176.580 (N/m2)
p1: Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, p1 = 41.135,68 (N/m2) ⇒ p0 = pth + p1 = 176.580 + 41.135,68 =21.7715,68 (N/m2) ⇒σ = = = 21.334.439,05
= = 200∗106
Ta thấy σ< Vậy S = 7 mm là đạt yêu cầu. b. Đáy buồng đốt
Chiều dày đáy được tính theo công thức
S = , m [AII – 385] – (XIII.47) Khi∗k∗φk ≥ 30 có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số. Dt: Đường hính trong buồn đốt, Dt = 1 m
P: Áp suất trong buồn đốt, p = 1.218.335,68 (N/m2)
hb: Chiều cao phần lồi của đáy, Tra bảng [AII – 382] – (XIII.10) ứng với Dt = 1 m có hb = 0,25m (hay hb = 0,25 * Dt = 0,25 m)
d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,05 m k: hệ số không thứ nguyên, k = 1 – = 1 – = 0,95 : Hệ số bền = 0,95 : ứng suất cho phép, = 97,71*106 N/m2 C: số bổ sung, C = 1,6*10-3 m. Thêm 2 mm khi S – C ≤ 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm ≤ S – C > 10 mm ⇒∗k∗φk = = 67,05 > 30 nên bỏ qua p ở mẫu số. ⇒S = = 1,6∗10-3 = 8,87 mm
⇒ S = 8,87mm
⇒ S – C = 8,87 – 1,6 = 7,27 mm < 10 mm
Vậy thêm 2 mm vào C, Khi đó S = 8,87+ 2 = 10,87 mm Chọn S = 11 mm.
• Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
σ = ≤ , N/m2
⇒σ = = 13.570.549,87< = 200∗106 Vậy S = 11 mm là đạt yêu cầu.
4.1.1.2. BUỒNG BỐC
a. Chiều dày của thân hình trụ chịu áp suất trong
Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chiệu áp suất trong được xác định theo công thức:
S =, m
Khi 50 có thể bỏ qua p ở mẫu số
Dt: Đường kính trong buồng đốt, Dt=1,5m
φ: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, tra bảng [AII – 362] – (XIII.8) ta được φ = φh = 0,95
C: Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dùng sai về chiều dày. Tính tương tự như trên, ta có C = 1,6 mm.
P : Áp suất trong thiết bị, N/m2
- Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi-lỏng, áp suất được tính như sau:
p = pmt + p1, N/m2 [AII – 360] – (XIII.10)
pmt: Áp suất của hơi trong thiết bị, N/m2
⇒pmt= 5,8434 atm= 5,8434∗9,81∗104 = 57.3237,54 (N/m2) p1 Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, được tính theo công thức:
p1 = g * ρ1*H1 , N/m2
ρ1: Khối lượng riêng chất lỏng ( ở 158,0038 0C), ρ1= 1.105,3 (kg/m3) H1: Chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H1 = 0,5 m
g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2
⇒p1 = g *ρ1*H1=9,81*1.105,3 * 0,5= 5.421,4695 (N/m2)
⇒ p = pmt+p1 = 573.237,54 + 5.421,4695 = 578.659,04 (N/m2)
• Tính ứng suất cho phép [σ]:
Chọn vật liệu thiết kế là thép CT3 thì ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền. Tính tương tự như trên.
Chọn số nhỏ thế vào = = 160,4 >50 nên bỏ qua p ở mẫu. ⇒ S = = 1,6*10-3 = 5,82mm
Chọn S = 6 mm
• Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: σ= ≤ , N/m2
Áp suất thử tính toán p0 được xác định theo công thức: P0 = pth + p1 ,N/m2
pth : Áp suất thủy lực, N/m2
Tra bảng [AII – 356] – (XIII.5) ta có:
pth = 1,5 * ptm = 1,5 * 573.237,54 = 895.856,31 (N/m2) p1: Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, p1 = 5.421,4965 (N/m2) ⇒ p0 = pth + p1 = 895.856,31 + 5.421,4965 = 865.277,81 (N/m2) ⇒σ = = = 15.577.865,71
= = 200∗106
Ta thấy σ< Vậy S = 6 mm là đạt yêu cầu. b. Đáy buồng bốc
S = , m [AII – 385] – (XIII.47) Khi∗k∗φk ≥ 30 có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số.
Dt: Đường hính trong buồng đốt, Dt = 1,5 m P: Áp suất trong buồn đốt, p = 578.659,04 (N/m2)
hb: Chiều cao phần lồi của đáy, Tra bảng [AII – 382] – (XIII.10) ứng với Dt = 1,5 m có hb = 0,375 m (hay hb = 0,25 * Dt = 0,375 m)
d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,05 m k: hệ số không thứ nguyên, k= 1 – = 1 – = 0,97 : Hệ số bền = 0,95 : ứng suất cho phép, = 97,71*106 N/m2 C: số bổ sung, C = 1,6*10-3 m. Thêm 2 mm khi S – C ≤ 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm > S – C > 10 mm ⇒kφk = = 150,788> 30 nên bỏ qua p ở mẫu số. ⇒S = = 1,6*10-3 = 6,67 mm
⇒ S – C = 6,67 – 1,6 = 5,07mm < 10 mm
Vậy thêm 2 mm vào C, Khi đó S = 6,67 + 2 = 8,67 mm Chọn S = 9 mm.
• Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
σ= ≤ , N/m2
Với áp suất thử: p0 = 217.715,68 N/m2 ⇒σ = = 10.042.370,76< = 200 *106
Vậy S = 9 mm là đạt yêu cầu.
4.1.2. Nồi 2
4.1.2.1. Buồng đốt
a. Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong
Tính tương tự nồi 1: S =, m
Khi 50 có thể bỏ qua p ở mẫu số
Dt: Đường kính trong buồng đốt, Dt = 1m
φ: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, tra bảng [AII – 362] – (XIII.8) ta được φ = φh = 0,95
C: Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dùng sai về chiều dày, 1,6 mm P : Áp suất trong thiết bị, N/m2
pmt: Áp suất của hơi trong thiết bị, N/m2
⇒pmt= 5,8434 atm = 5,8434 * 9,81*104 = 573.237,54 N/m2 p1:Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, được tính theo công thức:
p1 = g * ρ1 * H1 , N/m2
ρ1: Khối lượng riêng chất lỏng ( ở 157,0038 0C), ρ1= 1.103,3(kg/m3) H1: Chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H1 = 2,5 m
g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2
⇒p1 = g *ρ1 * H1= 9,81*1103,3 * 2,5 = 43.293,49 (N/m2)
⇒ p = pmt+ p1 = 573.237,54 + 43.293,49 = 616.531,03 (N/m2)
• Tính ứng suất cho phép [σ]:
Chọn số nhỏ thế vào = = 150,56 >50 nên bỏ qua p ở mẫu.