Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cô đặc dung dịch KNO3 với năng suất 12000 kg/h

,7507oC - Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra theo bảng (I.249/ST1 – T310) q1 = 142,9 oC Þ Cn1 = 4294,25 (J/kg độ) q2 = 108,844 oC Þ Cn2 = 4231,4972 (J/kg độ) - Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1 ,nồi 2, ra khỏi nồi 2 : - Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 10% Áp dụng công thức I.41 /ST1 – T152 ta có: Cd = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,1) = 3767,4 (J/kg độ) - Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x1 = 14,74 % Cũng áp dụng công thức trên ta được: C1 = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,1474) =3568,9836 (J/kg độ) - Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ xc = 28 % Áp dụng công thức I.44/ST1 – T152 ta có: C2 = Cht.x + 4186 (1- x) Với Chr là nhiệt dung riêng của KNO3 được xác định theo công thức I.41/ST1 – T152: M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 trong đó : M : KLPT của KNO3 : M1 = 101 n1 : Số nguyên tử K : n1 = 1 n2 : Số nguyên tử N : n2 = 1 n3 : Số nguyên tử O : n3 = 3 c1 , c2 c3 : Nhiệt dung riêng của nguyên tử K, N, O . Tra từ bảng I.141 /ST1 – T152 c1 = 26000 J/kg.nguyên tử. độ c2 = 26000 J/kg.nguyên tử. độ c3 = 16800 J/kg.nguyên tử. độ Vậy : (J/kg độ) Vậy: C2 = 1013,8614.0,28 + 4186.(1- 0,28) = 3297,8012 (J/kg độ) - Xác định hàm nhiệt hới đốt và hơi thứ; Tra bảng ( I.250/ST1 – 312 ) Thay các kết quả ta đã tính toán được vào pt (1) và pt (2) ta được kết quả sau : Ta có bảng số liệu như sau Bảng 3 Nồi C J/kg độ Cn J/kg độ q, °C W , kg/h Sai số e CBVC CBNL 1 3568,9836 4294,25 142,9 3857,1429 3763,698 2,42 2 3297,8012 4231,4972 108,844 3857,1429 3950,5877 2,42 Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W1 : W2 = 1: 1,05 Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn. 4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi: 4.1.Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi. - Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và nồi 2 là : - Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 2m ,hơi ngưng bên ngoài ống ,máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức ( V.101/ST2 – T28 ). W/m2. độ Trong đó: : hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i W/m2. độ : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng của nồi I ( o C ). Giả thiết: ri: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt: (Tra bảng I.250/ST1 – T321) ta có: t1 = 142,9 oC r1 = 2315,5 .103 J/kg t2 = 108,844oC r2 = 2237,2368.103 J/kg A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng Với tm được tính: tmi = 0,5(tTi +ti ) oC ( * ) ti: nhiệt độ hơi đốt tTi : nhiệt độ bề mặt tường mà ta lại có: ( * * ) thay (**) vào (*) ta được : Với: t1 = 142,9 oC tm1 = 142,9 – 0,5.2,97 = 141,415 oC t2 = 108,844 oC tm2 = 108,844 – 0,5.2,63 = 107,474oC Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : (ST2 – T 29 ) với: t1 = 141,55oC A1 = 194,2123 t2 = 107,474 oC A2 = 182,3633 Vậy: 4.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: ( CT 4.14/QTTB1 – T1 ) W/m2 q11 = 9701,4172.2,97 = 28813,2091 (W/m2) q12 = 9403,7367.2,55 = 25766,2386 (W/m2) Bảng 4: Nồi 1 2,97 141,415 194,2123 9701,4172 28813,2091 2 2,74 107,474 182,3633 9403,7367 25766,2386 4.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi W/m2 độ: Ta xác định hệ số này theo công thức: (CT /QTTB1 – T332) (W/m2 độ ) Pi: áp suất hơi thứ at Xem bảng 1: : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi. - Hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt , oC - Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt m2 độ/W r1 , r2 : nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường ( bên ngoài cặn bẩn của nước ngưng ,bên trong cặn bẩn do dung dịch. - Tra theo bảng ( V.I/ ST2 – T4 ) r1 = 0,387.10-3 m2 độ/W r2 = 0,232.10-3 m2 độ/W - Tra bảng ( VI.6/ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là - Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép CT3, hệ số dẫn nhiệt của nó là: W/m. độ ( bảng PL. 14/ Bt T1/ 348 ) Þ m2 độ/W Þ Vậy : * : hệ số hiệu chỉnh ,xác định theo công thức(VI.27/ST2 – T71) ( dd:dung dịch , nc: nước ) Trong đó: : hệ số dẫn nhiệt , W/m. độ :khối lượng riêng , kg/m3 C: nhiệt dung riêng , J/kg. độ : độ nhớt , Cp : lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch. ts1 = 113,0787 oC ts2 = 80,7507 oC 4.3.1 Khối lượng riêng : - Khối lượng riêng của nước: tra bảng (I.249/ST1 – T310) - Khối lượng riêng của dung dịch KNO3 :tra bảng ( I.46 /ST1 – 42 ) 4.3.2 Nhiệt dung riêng : - Nhiệt dung riêng của nước :tra bảng ( I.249 /ST1 – T 310 ) Cnc1 = 4238,2338 J/kg. độ Cnc2 = 4196,2011 J/kg. độ - Nhiệt dung riêng của dung dịch KNO3:( theo bảng 3 ) Cdd1 = 3568,9836 J/kg. độ Cdd2 = 3297,8012 J/kg. độ 4.3.3 Hệ số dẫn nhiệt: - Hệ số dẫn nhiệt của nước: tra bảng (I.129/ST1 – T133 ) W/m. độ W/m. độ - Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được xác định theo công thức (I.32/ST1 – T123 ) A:hệ số tỉ lệ phụ thuộc hỗn hợp chất lỏng :ta chọn A = 3,58.10-8 M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng. (hỗn hợp của chúng ta là KNO3 và H2O ) nên : M = 101.a +(1- a)18 nồi 1 :x = 14,74 % khối lượng nồi 2 : x = 28% khối lượng. Vậy : W/m. độ W/m. độ 4.3.4 Độ nhớt : - Độ nhớt của nước tra bảng ;(I.104/ST1 – 96) và (I.102/ST1 – 95) ( Cp) Độ nhớt của KNO3 ( bảng I.107/ ST1- 101 ) Bảng 5: Nồi W/m. độ W/m. độ Kg/m3 Kg/m3 M 1 0,4914 0,6746 1038,95 948,5678 20,4817 2 0,4993 0,6854 1153,24 971,3196 23,3784 Nồi J/kg. độ J/kg. độ Cp Cp 1 3568,9836 4238,2338 0,5094 0,2246 2 3297,8012 4196,2011 0,874 0,3532 Vậy: Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi hoàn toàn xác định như sau: (W/m2. độ) (W/m3. độ) 4.4.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : (W/m2) (W/m2) 4.5.So sánh q2i và q1i : - Chênh lệch giữa q21 , q11 và q22 , q12 ( ) Vậy giả thiết được chấp nhận. 5. Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi Áp dụng công thức: N/m2. độ Trong đó: qtbi : nhiệt tải riêng trung bình của từng nồi (W/m2 ) :Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi ( oC ) (xem bảng 2) Ta có: (W/m2) (W/m2) Vậy: N/m2. độ - Dung dịch vào nồi 1 ở nhiệt độ sôi nên lượng nhiệt tiêu tốn ở nồi 1 được tính theo công thức Với W1 = 3763,698 r1 = 2110,5.103 J/Kg - Nồi 2 có hiện tượng quá nhiệt của dung dịch gọi là hiện tượng tự bay hơi nên lượng nhiệt cần thiết ở nồi 2 là: 6..Hiệu số nhiệt độ hữu ích 6.1. Xác định tỷ số sau : 6.2.Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi : Công thức: oC vậy: 7. So sánh DTi', DTi tính được theo giả thiết phân phối áp suất NX: Sai số này nhỏ hơn 5% ,vậy phân phối áp suất như trên là hợp lý Bảng 6. nồi oC W/m2. độ W/m2 1 7,7741 0,5761 3741,779 29088,9641 2 9,2935 0,5895 2903,363 26978,9153 nồi Ki N/m2. độ Qi , W ,oC ,oC 1 970,9198 2206467,953 29,8213 28,3549 4,92 2 906,4858 2191142,026 29,0933 30,3642 4,37 8. Tính bề mặt truyền nhiệt (F) Tính bề mặt truyền nhiệt theo phương thức bề mặt truyền nhiệt giữa các nồi bằng nhau: m2 Vậy: Ta theo bảng (VI.6-tr.80-T2) thì Fchuẩn lấy bằng 80 (m2 ). PHẦN III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 1. Buồng đốt Thiết bị làm việc ở điều kiện áp suất thấp ( <1,6.106N/m2 ) , chọn nhiệt độ thành thiết bị là nhiệt độ môi trường , đối với thiết bị đốt nóng có cách nhiệt bên ngoài neeChọn thân hình trụn hàn , làm việc chịu áp suất trong , kiểu hàn giáp mối hai bên , hàn tay bằng hồ quang điện , vật liệu chế tạo là thép CT3 (thép cacsbon 0.03% ).Khi chế tạo cần lưu ý: - Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt - Chỉ hàn giáp mối - Bố trí các đường hàn dọc -bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát - Không khoan lỗ qua mối hàn 1.1 .Xác định số ống trong buồng đốt: - Số ống trong buồng đốt được các định theo công thức là: ống - F : Diện tích bề mặt truyền nhiệt , m2 - : diện tích của một ống truyền nhiệt , m2 - dtr : đường kính trong của ống truyền nhiệt, m Chọn dtr = 0.025 − 0,002.2=0,021 m Vậy số ống truyền nhiệt là: ( ống) Quy chuẩn n= 613 ống và cách bố trí theo hình lục giác đều .Dựa và cách bố trí theo bảng ( V.II/ST2 – T48 ) ta có bảng bảng số liệu ống trong thiết bị truyền nhiệt loại ống trùm như sau: Bảng 7: Số Hình 6 Cạnh Sắp xếp theo hình 6 cạnh Số ống trên đường xuyên tâm 6 cạnh Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân Số ống trong các Hình viên phân Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân Tổng ống thiết bị Dãy1 Dãy 2 Dãy3 13 27 547 9 2 - 66 613 1.2. Đường kính của buồng đốt : Đường kính trong của buông đốt khi sắp xếp theo hình lục giác đều được tính theo công thức sau: (CT V.140/ST2 – T49) Dtr = t.(b – 1) + 4.dn (m) - b: số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh b = 27 (ống) - dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = 25 mm - t : bước ống , thường lấy t = 1,2 : 1,5 dn , ta chọn t = 1,3.dn Dtr = 1,3.0,025.(27 – 1) + 4.0,025 = 0,945 (m) Quy chuẩn theo bảng XIII.6 /ST2 – 359 : Dtr = 1 (m) = 1000 mm 1.3 Chiều dày buồng đốt : Chiều dày buồng đốt chịu áp suất trong được xác đị nh theo công thức : (XIII.8/ST2 – 360) m Trong đó:: ứng suất cho phép giới hạn bền của thép CT3 ( N/m2 ) được xác định dựa theo giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy Và ứng suất kéo và ứng suất chảy được xác định như sau: (CT XIII.1 ,XIII.2/ST2 – T355 -: hệ số hiệu chỉnh , theo bảng XIII.2 /ST2 – 356 - Dựa vào bảng XII.4/ST2 – 309 ta có: + Giới hạn bền kéo : + Giới hạn bền chảy : - nk : hệ số an toàn theo giới hạn kéo của thép CT3 (Tra theo bảng XII/ST2 – T356) nk = 2,6 - nc : hệ số an toàn theo giới hạn chảy của thép CT3 . Tra bảng XII.3/ST2 – T356 nc = 1,5 Vậy: Vậy ứng suất cho phép của vật liệu là: - C: hệ số bổ xung ăn mòn C1 , bào mòn C2 và dung sai âm về chiều dày C3 ( để chống ăn mòn và để gia công ) , m . Theo công thức XIII.17 /ST 2 – T 363 C = C1 + C2 + C3 + C1 : chống ăn mòn ở môi trường 1 ( xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị ) với vật liệu rất bền CT3 thì C1 =1 + C2 : chống ăn mòn ở môi trường 2 .Đại lượng bổ xung bào mòn thường thwo thực nghiệm ( tuy nhiên khi tính toán thiết bị hóa chất thường bỏ qua ). + C3 : Lượng bù gia công .Đại lượng bổ xung do dung sai âm của chiều dày phụ thuộc và chiều dày tấm vật liệu .Tuy nhiên đơn giản thường chọn C3 = 0.8 Vậy C = 1 + 0 +0,8 =1,8 (mm) - : hệ số bền hàn của thanh hình trụ theo phương dọc .Theo bảng XIII.8/ST2 – T 362 ,nếu hàn bằng tay với Dtr ≥ 700 (mm) ,thép cacsbon CT3 thì: - Pb : áp suất làm việc bên trong thiết bị Pb = Pmt + Ptt Pmt = Phd = 4at = 4.9,81.104 = 0,3924.106 (N/m2) -Ptt : áp suất thủy tĩnh ở t = 113,0787 oC ta có Ptt = 1038,95.9,81.2 = 0,0204.106 (N/m3) Vậy : Pb = 0,3924.106 + 0,0204.106 = 0,4128.106 (N/m2) Nhận thấy : bỏ qua Pb ở mẫu trong công thức tính S: Vậy tính được chiều dày buồng đốt: Quy chuẩn S = 5 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử dựa vào công thức XIII.26 /ST2 – T365 - Po : áp suất thử tính theo công thức XIII.27 /ST2 – 366 Po = Pth + P1 , N/m2 + Pth : áp suất thủy lực tính theo công thức XIII.5/ST2 – 358 Pth = 1,5.Pb = 1,5.0,4128.106 = 0,6192.106 (N/m2) + P1 : áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng xác định theo công thức XIII.10/ST2 – 360 :ta có; P1 = Ptt = 0,0204.106 N/m2 Vậy : Po = 0 ,6192.106 + 0,0204.106 = 639600 (N/m2) Vậy ta có: Vậy S = 5 mm thỏa mãn 1.4.Chiều dày lưới đỡ ống : Phải đảm bảo các yêu cầu sau: Giữ chặt ống sau khi nung , bền .Để thỏa mãn yêu cầu này , ta chọn chiều dày tối thiếu: S= S’ = 10mm - Chịu ăn mòn : S = S’ + C = 10 + 1,8 = 11,8 (mm) Quy chuẩn S = 17 mm - Giữ nguyên hình dạng của mạng khi khoan , nung cũng như sau khi nung ống .Để thỏa mãn cần đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi ống: Þ f > fmin - Bền dưới tác dụng của các loại ứng suất .Để thỏa mãn yêu cầu này cần kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn: Trong đó : - Pb : áp suất làm việc .N/m2 Pb = 0,4128.106 N/m2 - dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , m dn = 25 m = 0,025 mm Nhìn vào hình vẽ ta có : Vậy : Vậy thỏa mãn điều kiện nên ta chọn chiều dày mạng lưới ống là 17 mm 1.5 .Chiều dày đáy buồng đốt : Dtr h hb Đáy buồng đôt là những bộ phận quan trọng của thiết bị thường được chế tạo cùng vật liệu với thân thiết bị , ở đây là thép CT3. Đáy nối với thân thiết bị bằng cách ghép bích . Đáy chọn elip có gờ đối với các thiết bị có thân hàn thẳng đứng – áp suất trong >7.104 (N/m2 ) Chiều dày đáy phòng đáy phòng đốt được xác định theo công thức XIII.47/ST2 – T385 , m Trong đó : - hb : chiều cao phần lồi của đáy ,m Theo hình XIII/ST2 – T 381 hb = 0,25.Dtr = 0,25.1000 = 250 mm - : hệ số bền của mối hàn hướng tâm Xem bảng XIII.8/ST2 – T362 ta có : - k : hằng số không thứ nguyên ( hệ số bền của đáy ) , được xác định theo công thức XIII.48/ST2 – T385 k = 1- (d/Dtr ) - Với : d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng .Đáy có một lỗ hình tròn cho dung dịch vào có đường kính d , được tính theo công thức 1.19 /TTQTTB1 –T 13 Trong đó : + V: lưu lượng dung dịch vào nồi 1 ,m3 /h + : vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống , để đơn giản ta chọn = 1 m/s Quy chuẩn d = 0,15 m Þ - C : đại lượng bổ xung , được tính theo công thức XIII.17/ST2 – T363.Có tăng thêm một ít đối với đáy : Thêm 2 mm khi S – C <=10 mm Thêm 1 mm khi 10 mm < S – C < 20 mm Không cần tăng chiều dày khi S – C > 20 mm - P : áp suất hơi đốt 4at - nên ta có thể bỏ đại lượng P ở mẫu Vậy: Þ Đại lượng bổ xung C khi S – C = 1,86.10-3 m = 1,86 mm <10 mm , do đó phải thêm 2 mm so với giá trị C ở trên : C = 1,8 + 2 = 3,8 mm Vậy = 1,86+ 3,8 = 5,66 (mm ) Quy chuẩn = 6 mm Kiểm tra ứng suất thành nắp của thiết bị ở áp suất thử thủy lực, theo công thức XIII.49 /ST2 – T386)ta có: Với Po = Pb Þ Vậy chiều dày đáy buồng đốt là S = 6 mm là thỏa mãn 1.6.Tra bích để lắp đáy vào thân buồng đốt : Chọn bích liền kiểu 1 , theo bảng XIII.27/ST2 – T 421 ,ta có Bảng 8 như sau: Pb.106 (N/m2) Dtr (mm) Kích thước nối Kiểu bích D (mm) Db (mm) D1 (mm) Do (mm) Bulong 1 db mm z cái h (mm) 0,6 1000 1140 1090 1060 1013 M20 28 30 2.Buồng bốc Tạo không gian bốc hơi và khả năng thu hồi bọt 2.1 Thể tích buồng bốc hơi : Áp dụng công thức VI.32/ST 2 – T71 ta có Trong đó: - W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị W1 = 3763,6980 kh/h - : khối lượng riêng của hơi thứ, tra theo bảng I.250/ST1- 312 ứng với t = 109,844 oC - Utt : cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi Ở 1 at chọn Utt(1 at) = 1600 m3/m3.h - f : hệ số hiệu chỉnh xác định theo đồ thị hình VI.3/ST2 – 72 Þ f = 0,85 Từ đó : Utt = 0,85.1600 = 1360 (m3/m3.h) Vậy thể tích phòng bốc hơi : 2.2. Chiều cao buồng bốc : Áp dụng công thức VI.34/ST2 – T72 ta có: - Dtrbb : đường kính trong buồng bốc , đại lượng này có thể chọn , nhưng thường lấy Dtrbb = 1,5.Dtrbd = 1,5.1 =1,5 (m) Dtrbb : đường kính trong của buồng bốc Dtrbd : đường kính trong của buồng đốt Vậy chiều cao của buồng bốc là: ( m ) Quy chuẩn chọn H = 2,5 m 2.3. Chiều dày buồng bốc: Chọn nhiệt độ thành thiết bị là nhiệt độ môi trường , đối với thiết bị đốt nóng có cách nhiệt biên ngoài .Chọn thân hình trụ hàn , làm việc chịu áp suất trong , kiểu hàn giáp mối hai bên , hàn tay bằng hồ quang điện , vật liệu chế tạo là thép CT3. Đối với buồng bốc ở áp suất 1: 2 at ta thiết kế vỏ mỏng .Chiều dày thiết bị được xác định theo công thức XIII.8/ST2 – T 360 Pb = Ph + P1 Ph : áp suất hơi thứ Þ Ph = 1,4539 at = 1,4539.9,81.104 = 0,1426.106 (N/m2) (N/m2 ) = 0 vì H: chiều cao mực chất lỏng chiếm chỗ, H = 0 - - C = 1,8 .10-3 m - - Xét : Þ Có thể bỏ qua Pb ở dưới mẫu Vậy : Quy chuẩn S = 4 mm Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử , công thức XIII.26/ST2 – T365 Po = 1,5.Pb = 1,5.0,1426.106 = 0,2139.106 (N/m2) Vậy S = 5 mm hoàn toàn thỏa mãn 2.4 .Chọn chiều dày nắp buồng bốc ( như đáy buồng đốt ): Chọn nắp elip có gờ , vật liệu chế tạo là thép CT3 . Theo Công thức XIII.47/ST2 – T385 , chiều dày nắp buồng bốc được xác định như sau: (m) Xác định k : hằng số không thứ nguyên , hệ số bền của đáy và nó được xác định theo công thức đã nêu ở trên : k = 1- d/Dtrbb - d : đường kính lớn nhất của đáy không tăng cứng và được xác định như sau: + V: lưu lượng hơi ra khỏi nồi , (m3/h) : : khối lượng riêng hơi nồi 1 , = 0,8216 (kg/m3) + : vận tốc thích hợp của hơi trong thiết bị .( xem ST2 – T74 ). Đối với hơi bão hòa khô chọn = 35 m/s Vậy: Quy chuẩn d = 200 mm Khi đó: k = 1- 0,2/1,5 = 0,867 hb : chiều cao phần lồi của đáy: hb = 0,25.Dtrbb = 0,25.1,5 = 0,375 (m) = 375 mm - C: hệ số bổ sung được tính theo công thức XIII.17/ST2 – T363. Có tăng thêm một ít đối với đáy : Thêm 2 mm khi S – C <=10 mm Thêm 1 mm khi 10 mm < S – C < 20 mm Không cần tăng chiều dày khi S – C > 20 mm - P áp suất hơi ở phòng bốc hơi chính là áp suất hơi thứ P = 0,1426.106 N/m2 - xét : nên ta có thể bỏ qua đại lượng P ở dưới mẫu của công thức . Vậy: (mm) Þ Đại lượng bổ xung C khi S – C = 0.4681 mm < 10 mm , do đó phải thêm 2 mm so với giá trị C ở trên : C = 1,8 + 2 = 3,8 (mm) Vậy : S = 0,4681 + 3,8 = 4,2681 ( mm ) Quy chuẩn S = 6 mm - Kiểm tra ứng suất thành thiết bị ở áp suất thủy lực , theo công thức XIII.49/ST2 – T386 ta có : Với Po = 1,5.P = 1,5.0,1426.106 = 21,39.104 (N/m2) Vậy: Vậy S = 6 mm hoàn toàn thỏa mãn. 2.5. Tra bích để lắp thân buồng bốc : Cũng chọn kiểu bích dung để lắp đáy vào thân buồng đốt . Với các thông số được tra theo bảng XIII.27/ST2 – T422: Bảng 9: Pb.106 N/m2 Dtr mm Kích thước nối Kiểu bích D mm Db mm D1 mm Do mm Bulong 1 db mm z cái h mm 0,6 1500 1640 1600 1560 1515 M24 40 40 3. Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3 Đáy nón có gờ dung để nối buồng đốt và buồng bốc trong thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức vì thiết bị này sử dụng để cô đặc những dung dịch nhớt và dung dịch kết tủa nên ta chọn loại góc đáy 60 o và loại có gờ vì làm việc ở áp suất lớn hơn 7.104(N/m2). Chiều đày nón có gờ với góc đáy là 60 o được tính theo công thức XIII.52/ST2 – T 399 - y : yếu tố hình dạng đáy , xác định theo đồ thị XIII.15/ST2 – T400.Mà theo bảng XIII.22/ST2 – T396 - - P = P’1 = 0,1426.106 (N/m2) Vì S – C <10 (mm) nên thêm 2 (mm) cho đại lượng bổ sung C do đó đại lượng bổ xung C = 1,8 + 2 = 3,8 (mm) Do đó : S = 1,08 + 3,8 = 4 ,88 mm Quy chuẩn S = 6 mm Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực : Với Po = 1,5.P = 1,5.0,1426.106 = 0,2139.106 (N/m2) Vậy : Vậy S = 6 mm thỏa mãn 4. Tính toán một số chi tiết khác 4.1. Tính đường kính các ống nối dẫn hơi , dung dịch vào, ra thiết bị : Trong đó: V : lưu lượng hơi hoặc lỏng chảy trong ống , m3/h : vận tốc thích hợp của hơi hoặc lỏng đi trong ống m/s 4.1.1 Ống dẫn hơi đốt vào : Với : D: lượng hơi đốt nồi 1 kg/h . D = 4231,4347 kg/h : khối lượng riêng của hơi đốt được tra theo nhiệt độ hơi đốt ở bảng I.250/ST1 – T313: : vận tốc thích hợp vcuar hơi quá nhiệt đi trong ống . Ta chọn Vậy : Quy chuẩn : dtr = 150 mm 4.1.2 Ống dẫn dung dịch vào : Gđ : lưu lượng dung dịch đầu : Gđ = 12000 kg/h : khối lượng riêng của dung dịch đầu : : vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống , chọn đối với thiết bị tuần hoàn cưỡng bức Vậy: Quy chuẩn : dtr = 70 mm 4.1.3. Ống dẫn hơi thứ ra : W1 : lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1 : W1 = 3763,698 kg/h : khối lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1 : = 0, 8216 kg/h : vận tốc thích hợp của hơi đi trong ống . Thường chọn Vậy: Quy chuẩn ; dtr = 250 mm 4.1.4. Ống dẫn dung dịch ra: : khối lượng riêng của dung dịch trong nồi 2 : Gđ : năng suất ban đầu (kg/h) : Gđ = 12000 kg/h W1 : lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1 : W1 = 3763,698 kg/h : vận tốc thích hợp của dung dịch đi trong ống dẫn , chọn = 1 m/s Vậy: Quy chuẩn ; dtr = 70 mm 4.1.5. Ống tháo nước ngưng : Chọn bằng đường kính trong ống tháo dung dịch ra : dtr = 50 mm Tra bích nối ống dẫn với hệ thống ống dẫn bên ngoài .Bảng XIII.26 /ST2 – T409 bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 4.1.6 Ống tuần hoàn: Người ta thường lấy : fbd : tiết diện của buồng đốt fth : tiết diện của ống tuần hoàn dn : đường kính ngoài của ống tuần hoàn Quy chuẩn đường kính ngoài ống tuần hoàn: 0,35m chọn: - chiều dày : S = 5 mm - chiều cao : H = 3,75 Tra bích đối với ống tuần hoàn dựa vào bảng XIII.26 /ST2 – T409 Bảng 10 : Py..106 N/m2 Dy mm ống Kích thước nối Bích Dn mm D mm Di mm Dt mm Bu lông h Db mm Z Cái 0,6 350 377 485 455 415 M20 12 26 Tra bích đối với ống dẫn bên ngoài : Bảng XIII.6/ST2 – T 409 : bích liền bằng kim loại đên để nối các bộ phận của thiết bị vào ống dẫn Bảng 11 : ống Py .106 N/m2 Dy mm ống Kích thước nối Bích Dn mm D mm Di mm D1 mm Bu long h mm Db mm Z cái ống dẫn hơi đốt vào 0,6 150 159 260 225 202 M16 8 20 ống dẫn dung dịch vào 0,25 70 76 180 145 122 M16 4 16 ống dẫn hơi thứ ra 0,25 250 273 370 335 312 M16 12 22 ống dẫn dung dịch ra 0,6 70 76 160 130 110 M12 4 16 ống tháo nước ngưng 0,6 50 57 140 110 90 M12 4 16 Số liệu tính toán cơ khí Bảng 12: BUỒNG ĐỐT THÂN Đường kính trong 1000 Chiều dày 5 Chiều cao 2000 ĐÁY Chiều cao gờ 25 Chiều cao phần lồi 250 Chiều dày 6 BUỒNG BỐC THÂN Đường kính trong 1500 Chiều dày 4 Chiều cao 2500 NẮP Chiều cao gờ 25 Chiều cao phần lồi 375 Chiều dày 6 CHI TIẾT KHÁC ống dẫn hơi đốt vào 150 ống dẫn dung dịch vào 70 ống dẫn hơi thứ ra 250 ống dẫn dung dịch ra 70 ống tháo nước ngưng 50 4.2. Tính và chọn tai treo giá đỡ : Trọng lượng nồi khi thử thủy lực Gtl = Gnk + Gnd , N - Gnk : trọng lượng nồi không ,N - G nd : trọng lượng nước được đổ đầy nồi , N 4.2.1. Tính Gnk : Để tính trọng lượng nồi không , ta cần tính khối lượng của các bộ phận chủ yếu sau a. khối lượng đáy buồng đốt (m1) kính thước đáy : - đường kính trong buồng đốt :Dtr = 1000 m - chiều dày : S = 6 mm - chiều cao gờ : h = 25 mm Tra bảng XIII.11/ST2 – T384 ta có khối lượng của đáy elip có gờ : m1 = 56 kg b. khối lượng thân buồng đốt (m2) , kg Trong đó : - : khối lượng riêng của thép CT3 , - V : thể tích thân buồng đốt , m3 h: chiều cao buồng đốt , h = 2 m Dn : đường kính ngoài của buồng đốt Dn = Dtr + 2.S = 1000 + 2.5 = 1010 (mm ) Vậy : c. khối lượng 2 lưới đỡ ống: (kg) - : khối lượng riêng của vật liệu làm lưới đỡ , kg/m3 .Vật liệu làm lưới đỡ chọn là thép CT3: - V3 : thể tích lưới đỡ S : chiều dày lưới đỡ ống , S = 0,017 (m) D : đường kính trong buồng đốt , D = 1 m n: số ống truyền nhiệt , n = 613 dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , dn = 0,025 m Từ đó ta tính được : m3 = 2.7850.8,2322.10-3 = 129,25 (kg) d. khối lượng của các ống truyền nhiệt Trong đó: - : khối lượng riêng của thép : - V4 : thể tích các ống truyền nhiệt: m3 H: chiều cao ống truyền nhiệt , H = 2 m dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , dn = 0,025 m dtr : đường kính trong của ống truyền nhiệt , dtr = 0,021 m e. khối lượng thân buồng bốc : m5 kg -: khối lượng riêng của vật liệu thân buồng bốc kg/m3 , vật liệu là thép CT3 - V5 : thể tích thân buồng bốc , m3 h : chiều cao buồng bốc : h = 2 m Dnbb : đường kính ngoài buồng bốc : Dnbb = Dtrbb + 2.S = 1,5 + 2.0,005 =1,51 (m) Vậy: f.khối lượng nắp buồng bốc Kích thước nắp : - Đường kính trong : Dtrbb = 1,5 m - Chiều dày : S = 6 mm - Chiều cao gờ : h = 25 mm Tra bảng XIII.11/ST2 –T384 ta có khối lượng nắp elip có gờ : m6 = 123 kg g. khối lượng phần nón cụt nối 2 thân (m7 ) (kg) - : khối lượng riêng của vật liệu phần nón cụt kg/m3, vật liệu là thép CT3 - V: thể tích nón cụt h: chiều cao phần nón cụt , h = 0,2 m Dn : đường kính ngoài trung bình của phần nón cụt Dtr : đường kính trong trung bình của phần nón cụt kg h. khối lượng 4 bích nối đáy với thân buồng đốt và thân với phần nón cụt (m8 ) m8= 4., kg V8: thể tích các bích:V8= H: chiều cao các bích: 0,03m D, Do, z, db là kích thước của các bích có ở bảng số liệu trên Þ V8= Þ m8=4.7850.6,176.10-3=193,9264(kg) i.Khối lượng 2 bích ghép nắp và thân buồng bốc: m9 m9=2. ,kg V9: thể tích các bích:V9= Þ V9= Þ m9=2.7850.0,0117=183,69(kg) k. khối lượng ống tuần hoàn Coi ống tuần hoàn như 1 hình trụ tròn m10= Dn=0,350 m ÞDtr =0,350 - 2.0,005=0,34 m10=3,75..(0,352 -0,342 )7850=159,45 kg n. tổng khối lượng nồi không: Gnk=g=9,81(m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8+m9 +m10) =56 + 248 + 129,25 + 1390,105 + 370,97 + 123 + 30,9345 + 193,9264 + 183,69 + 159,45 Gnk=2885,3259 kg 4.2.2.Tính Gnd. : a)Thể tích không gian buồng đốt và buồng bốc: V = m3 Trong đó: + hb chiều cao buồng bốc: 2m +hd chiều cao buồng đốt :2m +Dtrbb đường kính trong của buồng bốc +Dtrd đường kính trong của buồng đốt V = = 5,4705(m3) b)Khối lượng nước chứa đầy nồi: Gnd = g =9,81.1000. 5,4705 = 53665,605(N) Vậy khối lượng nồi khi thử thủy lực: Gtl = Gnd + Gnk = 53665,605+2885,3259.9,81= 81970,652 N 4.2.3. Chọn tai treo và chân đỡ. Chọn tai treo và chân đỡ là 4, khi đó tải trọng một tai treo, chân đỡ phải chịu là: G = = = 2,049.104 N Tra bảng XIII.36-ST2/438: tai treo đối với thiết bị thẳng đứng Tải trọng cho phép trên một tai treo G.10-4 (N) 2,5 Bề mặt đỡ, F.104 N/m2 173 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10-6 (N/m2) 1,45 L mm 150 B 120 B1 130 H 215 S 8 l 60 a 20 d 30 Khối lượng 1 tai treo(kg) 3,48 4.3. Chọn kính quan sát : Ta chọn kính quan sát làm bằng thủy tinh silicat dày 15mm, đường kính Φ = 300 mm Chọn bích lắp kính quan sát Tra bảng XII.26-ST2-413 Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn cho ở bảng sau: Pb.10 (N/m2) Dy, mm Kích thước ống Kiểu bích Dn mm D mm D mm D1 mm Bu lông 1 Db mm Z cái h mm 0,6 300 325 435 395 365 M20 12 22 4.4.Tính bề dày lớp cách nhiệt : Bề dày lớp cách nhiệt cho thiết bị đươc tính theo công thức: an (tT2 - tkk) = ( tT1 - tT2) (VI.66-ST-2/92) (*) Trong đó: + tT2: nhiệt độ bề mặt lớp cánh nhiệt về phía không khí, khoảng 40 50 0C, chọn tT2= 50 0C + tT1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị vì trở lực trường 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 = 142,9 0C + tkk: nhiệt độ môi trường xung quanh. Tra bảng VII.1-ST2/98, chọn tkk = 23,4 0C, lấy tại Hà Nội trung bình cả năm +: hệ số dẫn nhiệt của chất cách,chọn vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh thì: = 0,0372 W/mđộ (Bảng I.126-ST1/128) +: hệ số cách nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí : an = 9,3 +0,058. tT2 (VI.67-ST2/92) ® an = 9,3 +0,058.50 =12,2 W/m2.độ Thay số vào (*) (m) Lấy tròn là 15mm. PHẦN IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 1.Gia nhiệt hỗn hợp đầu : Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị đun nống loại ống chùm ngược chiều dung hơi nước bão hòa ở 4,1327at, hơi nước đi ngoài ống từ trên xuống, hỗn hợp nguyên liệu đi trong ống từ dưới lên.ở áp suất 4,1327at Þt1=143,981 oC ( tra bảng I.251-ST1/315) Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng(25oC) đi ra ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu(tso = 113,8147oC). 1.1.Nhiệt lượng trao đổi :( Q) Q = F.Cp.(tF – tf) W Trong đó : + F: lưu lượng hỗn hợp đầu ,F = 12587(kg/h) + tF : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tF = ts1 = 113,8147 oC + Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu Cp= Co=3629,262 J/kg.độ + tf: Nhiệt độ môi trường: tf=25 oC Thay số : Q= .3629,262.(113,8147-25) =1126997,379(W) 1.2.Hiệu số nhiệt độ hữu ích: +Chọn thđ = t1 = 143,988 (0C) Δ tđ = 143,988 – 25 = 118,988 (0C) Δ tc = 143,988 – 113,8147 = 30,1733(0 C) +Do = =3,9435 > 2 Nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là: ttb = = = 64,7307 (0C) +Hơi đốt: t1tb = 143,988 (0C) +Phía hỗn hợp: t2tb = 143,988 – 64,7307 = 79,2573(0C) a) Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể : +Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ : α1 = 2,04.A.()0,25 Trong đó : +r : ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa tra bảng I.250-ST1/312: t1=143,988 oC Þr = 2130,06.103 (J/Kg). +Δt1 :Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt. + H : Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2(m) +A : Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng. Giả sử : Δt1 = 5,68 (0C) Ta có : tm =143,988- = 141,788 (0 C) Tra bảng (ST2/29)=> A = 194,2682 Thay số: α1= 2,04. 194,2682. = 7943,0329(W/m2.độ) b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ : q1 = α1.Δt1 [W/m2] Thay số : q1 = 7943,0329.4,4 = 34949,34 (W/m2 ) Theo công thức V.40-ST2/14 ta có : c) Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy : Nu = 0,021.εk.Re0,8.Pr0,43.()0,25 Mà Nu = Þ αt = 0,021..k.Re0,8.Pr0,43.()0,25 *) εk : Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đường kính d của ống.Chọn đường kính d = 38±2 mm ; L = 2(m) Ta có : = 58,824 > 5m → εk= 1 (theo V.2- ST2/15) *) Tính chuẩn số Pr : Pr = (CT-V.35-ST2/12) + Cp : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở t2tb = 79,25730C Cp=C0= 3707,4 J/kg.độ + Tra bảng (I .107- ST1/101)ta có độ nhớt dung dịch: µ = 0,4104.10-3Ns/m2 + Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp λ=A.Cp. ρ - Tra bảng I.46-ST1/42 ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp ở ttb ρ =1037kg/m3 - M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng. ( hỗn hợp của chúng ta là KNO3 và H2O ) nên : M = 132.a +(1- a)18 x = 13,3 % khối lượng nên: Với A=3,58 .10-8 thay số: λ=3,58.10-8.3707,4.1037. =0,511(W/m.độ) Thay số: Pr = = 3,0281 +Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống : Δtt = tt- tt= q1.∑rt Trong đó : tt : Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp ∑rt : Tổng nhiệt trở ở 2 bên ống truyền nhiệt  Ống dẫn nhiệt làm bằng làm thép CT3 có chiều dày δ = 2 (mm) nên: λ = 46,4 (W/m độ) Þ ∑rt  =0.6621.10-3 m2 độ/W (đã tính ở trên) Thay số : Δtt =34949,3448.0,6621.10-3 = 23,140C =>tt2 = tt1 – Δtt = 143,988- 23,14=120,8480C Δt2 = - t2tb=120,848–79,2573= 41,59070C *)Tính chuẩn số Pr= t Trong đó : + Cpt : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tt=120,8480C Cpt =C1= 3457,1235J/kg.độ + µt : Độ nhớt của hỗn hợp tra bảng I.107-ST1/101: µt = 0,2802.10-3Ns/m2 + λt : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở tt2 λt = A.Cp. Với : A = 3,85.10-8 : khối lượng riêng của hỗn hợp ở tt Tra bảng I.46-ST1/42 ta có : ρ= 1005,2kg/m3 Thay vào công thức ta có : lt = 3,58.10-8.3507,1236.1005,2. = 0,4638 ( W/m2.độ) Thay số (25) : Pr= = 2,1188 Hỗn hợp chảy xoáy chọn Re = 10000 Thay số ta có hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy : αt = 0,021..(10000)0,8. (3,0281)0,43.()0,25= 880,256 d. Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : q2 = αt.Δt2 =41,5807.880,256= 36610,444 e. Kiểm tra sai số: = = .100% = 4,75 % Sai số nhỏ hơn 5% ta chấp nhận giả thiết chọn độ chênh lệch nhiệt độ 1.3.Bề mặt truyền nhiệt: Công thức tính : F = Trong đó : Nhiệt lượng trao đổi : Q = (W) q tb :Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch qtb = Thay số : F = 1.4.Số ống truyền nhiệt : Công thức tính : n= Trong đó : F : Bề mặt truyền nhiệt d : đường kính ống truyền nhiệt d = 0,034 m H : Chiều cao ống truyền nhiệt H = 3 (m) Thay số : n= Qui chuẩn n = 127 ống .Theo bảng V.11-ST2/48 ta có : Số hình 6 cạnh Sắp xếp ống theo hình 6 cạnh Số ống trên đường xuyên tâm 6 cạnh Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân Tổng ống trong tất cả các hình viên phân Tổng ống trong thiết bị Dãy 1 Dãy 2 Dãy 3 6 13 127 127 1.5.Đường kính trong của thiết bị đun nóng : D = t.(b – 1) + 4.dn (CT-V.50-ST2/49) Trong đó: dn : Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = 0,038 (m) t: Bước ống. Lấy t = 1,4 dn. t = 1,4 .0,038 = 0,0532 b: số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh b= 13 Thay số : D =0,0532.(13-1) + 4.0,038 = 0,7904 m Qui chuẩn : D = 0,8 m=800 (mm) (bảng VIII.6-ST2/359 ) 1.6.Tính vận tốc và chia ngăn : *) Vận tốc thực : Gđ=12587 kg/h n=127 ống d=0,034m ρ =1007,8kg/m3 Thay số ta có: (m/s) *) Vận tốc giả thiết: (m/s) Vì > 5% nên ta cần chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy.Số ngăn được xác định như sau: Số ngăn cần thiết: ÞQuy chẩn 3 ngăn 2.Chiều cao thùng cao vị: Áp suất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống khi dòng chảy đẳng nhiệt: (công thức II.53-ST1/376) Trong đó: +: áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn: Với: : khối lượng riêng của chất lỏng w : vận tốc của lưu thể. +: áp suất khắc phục trở lực khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng. = Với: dtd; điều kiện của ống L: chiều dài ống dẫn :hệ số ma sát. +: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: với: : hệ số trở lực cục bộ +: áp suất cần thiết khắc phục trở lực trong thiết bị . =0 +: áp suất bổ sung ở cuối đường ống, =0 a)Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc : +)Áp suất động học : Có 1007,8kg/m³ (ở nhiệt độ ttb) Chọn đường kính ống dẫn liệu là d= 70mm Tốc độ dòng chảy trong ống của thiết bị gia nhiệt: Thay số ta có: Vậy : =409,8842(N/m²) +)Áp suất để khắc phục trở lực ma sát:= Chọn chiều dài ống dẫn là L=2m, dtd= 0,07m. Chỉ số Reynold: Re = ; : độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi( nhiệt độ cuối khi gia nhiệt) có : = 0,4104.10-3(N.S/m²) =15,50327.> Do đó nhiệt độ chảy của hỗn hợp đầu trong ống là chế độ chảy xoáy. Chọn ống làm bằng ống tráng kẽm mới bình thường -Tra bảng II.15-ST1/381):mm.Chọn 0,1 Có : 700 Ta có : Regh= Ren= 220 Ta có Regh<Re <Ren àHệ số ma sát tính theo công thức : II.64-ST1/380 Vậy = (N/m²) +)Trở lực cục bộ trên đường ống: +Chiều dài tương đương cho trở lực cục bộ gồm 1 van thường và 4 khuỷu 90°: Tra bảng (PL- 4) (3.340) với d= 0,07m thì: Ltd= (4.40 +120). 0,07= 19,6m Vậy : (N/m²) Þ=409,8842+267,01+2628,1775 =3305,0717 (N/m2) +chiều cao chất lỏng tương ứng: b)Trở lực dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp: +)Áp suất động học: Trong đó: : khối lượng riêng ở nhiệt độ đầu: = 1075,4kg/m³(ở nhiệt độ 25 oC)-tra bảng I.46-ST1/42 Chọn d= 70 mm m/s Thay số: (N/m²) +)Áp suất để khắc phục trở lực ma sát: = Chọn L= 15m Chỉ số Reynold: Re = ; : độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi ( nhiệt độ cuối khi ra nhiệt) Có = 0,2802.10¯³(N.S/m²) Þ Ta có: Regh= Ren= 220 Nhận thấy Regh<Re <Ren àtính theo công thức : 11.64-ST1/380: Vậy = (N/m²) +)Trở lực cục bộ trên đường ống: -Chiều dài tương đương cho 1 van, 1 lưu lượng kế và 2 khuỷu 90° là: Ltd= (2.40 +1.120+ 1.200).0,07 = 28 Þ(N/m²) Vậy : +chiều cao chất lỏng tương đương: c)Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: +)Áp suất động học: Trong đó: Có 1007,8 kg/m³ (ở nhiệt độ ttb) w: vận tốc của hỗn hợp. n: số ống truyền nhiệt trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu , n = 127 ống m : số ngăn m = 4 ngăn Þ +)Áp suất để khắc phục trở lực ma sát : = = -Chỉ số Reynold: Re = ; : độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi ( nhiệt độ cuối khi ra nhiệt) Có = 0,2802.10¯³(N.S/m²) Þ Ta có: Regh=0,4.104 Ren= 2203,955.105 Nhận thấy Regh<Re <Ren àtính theo công thức : 11.64-ST1/380: Chiều dài ống truyền nhiệt: L=H.m=3.3=9m Vậy = (N/m²) +)Trở lực cục bộ: Vì dung dịch trong ống chùm nên hướng dòng chảy khi vào và khi ra ống tuyền nhiệt đa dạng và có đột mở, đột thu. -Tiết diện ống dẫn dung dịch ra và vào thiết bị là: =3,847.10¯³ (m²) (với d1 là đường kính trong của ống dẫn dung dịch vào d=0,07m) -Tiết diện của phần dưới thiết bị nơi ống dẫn dung dịch vào và ra là: (m²) (D đường kính trong của thiết bị) -Tiết diện ống hơi truyền nhiệt trong mỗi ngăn: (m²) (d3 là đường kính của ống truyền nhiệt) -Khi chất lỏng chảy vào thiết bị (đột mở): -Khi chất lỏng chảy từ khoảng trống vào(đột thu): Tra bảng II.16-ST1/388, -Khi chất lỏng chảy từ ngăn ra khoảng trống vào đột mở: -Khi chất lỏng chảy ra khỏi thiết bị(đột thu) ta có: Tra bảng II.16-ST1/388, -Ngoài phần trên và phần dưới của ống dòng chảy truyền dòng 6 lần với góc chuyển 90o có trở lực cục bộ(): 6.1,1=6,6 -Tổng trở lực cục bộ là: 0,9216+4.0,4294+4.0,5937+0,49+(4-1).6,6=25,304 Þ=25,304.6,4433=163,0413(N/m²) -Trở lực thủy tĩnh: 1038,4.9,81.2=20373,408(N/m²) +Chiều cao chất lỏng tương đương: d)chiều cao thùng cao vị: +Áp dụng pt Becnuli cho mặt cắt 1-1 và 2-2.Chọn mặt cắt 0-0 làm chuẩn Þ (*) -Trong đ ó : W2= 0,8521m/s (vận tốc trong ống từ thiết bị gia nhiệt tới thiết bị cô đặc) : là khối lượng riêng của của hỗn hợp ở 25oC 1060,72kg/m³ : là khối lượng riêng của chất ở nhiệt độ ttb 1038,4 kg/m³ +thay số ta có: 3.Bơm Bơm làm việc với áp suất trung bình và trong công nghiệp bơm li tâm được sử dụng rộng rãi với những ưu điểm là thiết bị đơn giản, lưu lượng cung cấp đều….. 3.1.Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: +)Áp suất toàn phần do bơm tạo ra theo công thức II.185-ST1/438: -Trong đó: H là áp suất toàn phần do bơm tạo ra,tính bằng chiều cao cột chất lỏng cần bơm(m) P1,P2 là áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian hút và đẩy (P1@P2) H0 là chiều cao nâng chất lỏng, chiều cao hình học chọn H0=12m Hm là trở lực cục bộ trong đường ống hút và đẩy +)Xác định trở lực đường ống từ thùng chứa đến thùng cao vị -Tốc độ chảy từ thùng chứa đến thùng cao vị: Trong đó:Flà năng suất hỗn hợp đầu F=12000kg/h r khối lượng riêng dung dịch ở 25 oC = 1060,72kg/m³ d là đường kính ống dẫn d=0,07m thay số vào ta có: m/s -Trở lực tiêu tốn để thắng lực trên đường ống đẩy và hút là: hm= trong đó DP là áp suất toàn phần để thắng tất cả sức cản thủy lực trên đường ống khi dòng chảy đẳng nhiệt: ( CT. II.53-ST1/376) Trong đó: +: áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn: Với: : khối lượng riêng của chất lỏng w : vận tốc của lưu thể. (N/m²) +: áp suất khắc phục trở lực khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng. = = Với: dtd; điều kiện của ống L: chiều dài ống dẫn. Chọn L= 18m :hệ số ma sát. Chỉ số Reynold: Re = ; : độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi Có = 0,375.10¯³(N.S/m²) Þ Ta có: Regh= Ren= 220 Nhận thấy Regh<Re <Ren àtính theo công thức : 11.64-ST1/380: Vậy = (N/m²) +: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: là hệ số trở lực cục bộ toàn bộ đường ống được xác định : là hệ số trở lực do các van chọn van tiêu chuẩn có d=0,07m, =0,7 là hệ số trở lực do đột thu chọn =0,9 là hệ số trở lực do đột mở chọn =0,9 là hệ số trở lực của trục khuỷu =1,1 Þ Þ=7,6.354,0095=2690,4722(N/m²) +: áp suất cần thiết khắc phục trở lực trong thiết bị . =0 +: áp suất bổ sung ở cuối đường ống, =0 Vậy tổng trở lực: (N/m²) *Vậy tổn thất áp suất để khắc phục trở lực của hệ thống dẫn từ nguyên liệu đầu vào thùng cao vị: hm= *Vậy H=H0+hm=12+0,4588=12,4588m Vậy chọn bơm có áp suất toàn phần có H ≥ 13m.Theo bảng II.36-ST1/444: chọn bơm có OpB có năng suất (2-150).103(m3/h), áp suất toàn phân tử từ 3 đến 20, số vòng quay từ 250 đến 960 vòng/phút, nhiệt độ bé hơn 35oC, bánh guồng làm bằng thép 20X18H9T 3.2.Năng suất trên trục bơm: +Công suất yêu cầu trên trục của bơm được xác định theo công thức : ;kw (CT II.189-ST1/439) H: áp suất toàn phần của bơm m F:năng suất của bơm kg/h : hiệu suất toàn phần của bơm Tra bảng II.32-STQT&TB-1/439 là hiệu suất thể tích (do hao hụt khi chuyển từ Pcao àPthấp), là hiệu suất thủy lực tính đến ma sát và sự tạo dòng xoáy trong bơm =0,85 là hiệu suất cơ khí , tính đén ma sát cơ khí ở ổ bi lót trục, ÞHiệu suất toàn phần của bơm là: +Vậy (kw) 3.3.Công suất động cơ điện: +Công suất đông cơ điện được tính theo công thức sau: ;kw (CT II.190-ST1/439) là hiệu suất truyền động trục =0,95 là hiệu suất truyền động cơ =0,95 à +Thông thường để đảm bảo an toàn người ta chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất tính toand lượng dự trữ dựa vào khả năng tái của bơm: với b là hệ số dự trữ công suất và theo bảng II.33-ST1/440 ta chọn b=2. Do đó: (kw) Vậy ta chọn bơm có công suất 1,4 kw 4.Thiết bị ngưng tụ baromet: Hơi thứ sau khi ra khỏi nồi cô đăc cuối cùng được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet để thu hồi lượng nước trong hơi, đồng thời tách khí không ngưng do dung dịch mang vào hoặc do khe hở của thiết bị.Hơi vào thiết bị ngưng tụ đi từ dưới lên,nước làm lạnh đi từ trên xuống,chui qua lỗ của các tấm ngăn,hỗn hợp nước làm lạnh,nước ngưng tụ chảy xuống ống barômet. *Hệ thống thiết bị: Chọn thiết bị ngưng tụ Baromet – thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao. 5 Nước lạnh 2 1 3 4 Hơi thứ Chú thích: 1- Thân 2- Thiết bị thu hồi bọt 3- Ống baromet 4- Ống dẫn khí không ngưng 5- Bơm chân không Trong thân 1 gồm có những tấm ngăn hình bán nguyệt  Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao Nguyên lý làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phun nước lạnh vào trong hơi , hơi tỏa ẩn 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 lý 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 có lỗ nhỏ và ống Baromet (3) để tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài. Hơi thứ vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy từ trên xuống, chảy trần qua cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn. Hỗn hợp nước làm nguội cà chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống Baromet, khí không ngưng đi lên qua ống (4) 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(5). Ống Baromet thường cao H> 10,5m 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 được 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: - Lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ: W =W2= 4317,8955(kg/h) -Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: pnt= 0,19 at -Nhiệt độ hơi ngưng tụ: tnt =59,2520C 4.1.Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: Gn=,kg/h (CT-VI.51-ST2/84 ) Gn :lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ(kg/h) W: lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ(kg/h) W= 4317,8955(kg/h ) Ihàm nhiệt của hơi ngưng: i=2626.103(J/kg) (tra bảngI.251.STl1/314 ) tdnhiệt độ đầu của nước lạnh. Chọn td = 25(oC) tc : nhiệt độ cuối của nước lạnh. Chọn tc = 50(oC) Cnnhiệt dung riêng trung bình của nước, chọn ở 37,5oC Cn=4178. (J/kg.do ) (tra bang I.149 ST1/310) Thay số vào ta có: (kg/h) 4.2.Đường kính thiết bị Dtr=1.383 , m (CT-VI.52-ST2/84) +Dtr ñöôøng kính trong cuûa thieát bò ngöng tuï (m) +h khoái löôïng rieâng cuûa hôi (Kg/m3) ở nhiệt độ 72,05oC,p=0,35at h = 0,2166 Kg/m3 (tra bảng I.251-ST-1/314) +wh toác ñoä hôi trong thieát bò ngöng tuï.wh =15¸35 m/s, choïn wh = 35 m/s do thieát bò ngöng tuï laøm vieäc vôùi aùp suaát thuộc khoảng 0,2 0,4 at +Thay số vào công thức trên ta có: Dt = 1,383 = 0,7148 (m) Choïn Dtr= 0,8 (m) 4.3.Kính thước tấm ngăn: +tấm ngăn có dạng hình viên phân để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn được xác định b =( Dtr/2)+50 ,mm (CT-VI.53-ST2/85) b = = 300 mm +trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ do dùng nước làm nguội là nước sạch vì vậy dường kính các lỗ là 2 mm +Chiều dày tấm ngăn chọn +chiều cao gờ tấm ngăn: hgờ=40 mm +tốc độ của tia nước n=0,62 (m/s) khi hgờ=40 mm +tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên một cặp tấm ngăn là f =,m2 (CT-VI.54-ST-2/85) Gc = Gc : lưu lượng nước kg/s : khối lượng riêng của nước : = 1000 kg/m3 -Vậy : f = m2 -Thay số ta có: f = +các lỗ xếp theo hình lục giác đều. ta có thể xác định bước của các lỗ theo công thức: t =0,866d(fc/ftb)1/2 ,mm (CT-VI.55-STS2/85) d đường kính của lỗ mm fc/ftb : tỉ số giữa tổng số diện tích tiết diện các lỗ với diện tích thiết bị ngưng tụ, chọn fc/ftb = 0,1 t = 0,866.d = 0,866.2. = 0,5477 (mm) 4.4. Chiều cao thiết bị ngưng tụ: +)mức độ đun nóng trong thiết bị: P =( CT-VI.56-ST2/85) tbh nhiệt độ hơi bão hòa ngưng tụ,(oC) tbh =75,4 oC +thay số : P = = 0,7299 quy chuẩn P=0,774 Dựa vào bảng VI.7-ST2/86 ta tìm được các thông số sau: Số bậc là 4 Số ngăn là n= 8 Khoảng cách giữa các ngăn htb = 400mm Thời gian rơi qua 1 bậc 0,41s Chiều cao hữu ích của thiết bị: H = số ngăn . khoảng cách giữa các ngăn = 4. 300 = 1200 mm 4.5.Các kích thước của ống baroomet: a)Ñöôøng kính trong oáng Baromet laø d(m) d = (CT_VI.57-ST2/86) : tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng, Thường lấy = 0,5 0,6, chọn = 0,5 d ==0,2716m , lấy chuẩn d = 0,3 m b)Chiều cao của ống baromet Theo CT-VI.58-ST2/86 H = h1+ h2 + 0,5;m (*) 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 ,m (VI.59-ST2/86) b: độ chân không trong thiết bị ngưng tụ (mmHg): b = 1- 0,4 = 0,6 at Þ h1 = 10,33= 5,999m h2: chiều cao cột nước trong ống baromet cần khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống: h2 = , m (CT-VI.60-ST2/86) :hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống H: chiều cao của ống baromet Để tính được ta cần kiểm tra chế độ chảy của chất lỏng trong ống theo chuẩn độ Re Re = ; (II.58-ST1/377) d=0,3m rn=993,1(kg/m3)(ở nhiệt độ trung bình 37,50C) w=0,5m/s m=0,6881.10-3N.s/m2 tra theo bảng I.249-ST/310 Þ Khi đó: Thay vào H ta có: Chiều cao dự trữ 0,5 m để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy tràn vào đường ống dẫn khi áp suất khí quyển tăng Chọn H=10,5 4.6.Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị: a)lượng không khí cần hút được tính theo công thức: Gkk=0,000025(W+Gn)+0,01W (CT-VI.47-ST2/84) ÛGkk=0,000025.( 4317,8955 +99921,352)+0,01.4317,8955 =45,785 (kg/h) b)thể tích khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ (m3/h) Vkk= ;m3/h (CT-VI.49-ST2/84) Rkk=288 (J/kg.do) hằng số khí đối với không khí tkk nhiệt độ của không khí p aùp suaát chung cuûa hoãn hôïp trong thieát bò (N/m2) p= Pnt = 0,35 (at) áp suất chung của hỗn hợp trong thiết bị (N/m2) Trong đó: tkk = tđ +4+0,1(tc - tđ ) = 25 + 4 + 0,1(50-25) = 31,5 0C P h = 0,19 at (tra ở bảngI.250-ST1/312) Vkk = = =287,223(m3/h) Vkk =0,079784 (m3/s) 4.7.Tính toán bơm chân không: +Công suất của bơm chân không tính theo công thức Trong đó: m=1,25 hệ số biến dạng Pk=Pck-Ph=0,35-0.0475=0,3025(at) P1=Png=0,19(at) P2=Pkk=1(at) hiệu suất +dựa vào Nb chọn bơm quy chuẩn bảng II.58-tr.513-T1.Chọn bơm chân không vòng nước PMK-3có thông số: số vòng quay:720(vòng/phút) công suất yêu cầu trên trục bơm: 18kw công suất động cơ điện:4.5kw lưu lượng nước:0.1m3/h kích thước: dài 1215m rộng 500m cao 790m khối lượng 475kg Bảng số liêu7:bảng kê các thông số cơ bản của thiết bị ngưng tụ theo bảng VI.8-STQT&TB-2/88 STT Các kích thước Kí hiệu Kích thước (mm) 1 Đường kính trong của thiết bị D 500 2 Chiều dày thành thiết bị S 5 3 Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị a 1300 4 Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy thiết bị P 1200 5 Bề rộng của tấm ngăn b - 6 Khoảng cách giữa tâm của thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi K1 K2 675 - 7 Chiều cao của hệ thống thiết bị H 4300 8 Chiều rộng của hệ thống thiết bị T 1300 9 Đường kính của thiết bị thu hồi D1 400 10 Chiều cao của thiết bị thu hồi h1(h) 1400 11 Đường kính của thiết bị thu hồi D2 - 12 Chiều cao của thiết bị thu hồi h2 - 13 Khoảng cách giữa các ngăn a1 a2 a3 a4 a5 220 260 320 360 390 14 Đường kính các cửa ra và vào Hơi vào Nước vào Hỗn hợp khí và hơi ra Nối với ống barômét Hỗn hợp khí; hơi vào t.bị thu hồi Hỗn hợp khí; hơi ra t.bị thu hồi Nối từ thiết bị thu hồi với ống barômet d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 300 100 80 125 80 50 50 - PHẦN V KẾT LUẬN Sau 1 thời gian cố gắng tìm , đọc và tra cứu 1 số tài liệu tham khảo cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Thế Hữu và các thầy, cô giáo trong bộ môn “Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học", em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế được giao. Qua quá trình này em đã rút ra được một vài các kinh nghiệm sau: Việc thiết kế và tính toán một hệ thống cô đặc là việc làm phức tạp, tỉ mỉ và lâu dài. Nó không những yêu cầu người thiết kế phải có những kiến thức thực sự sâu về quá trình cô đặc mà còn phải biết về một số lĩnh vực khác như: Cấu tạo các thiết bị phụ, các quy định trong bản vẽ kỹ thuật . . . Các công thức toán học không còn gò bó như những môn học khác mà được mở rộng dựa trên các giả thuyết về điều kiện, chế độ làm việc của thiết bị. Bởi trong khi tính toán người thiết kế đã tính đến một số ảnh hưởng của điều kiện thực tế, nên khi đem vào hoạt động hệ thống sẽ làm việc ổn định. Không chỉ vậy, việc thiết kế đồ án môn học quá trình thiết bị này còn giúp em củng cố thêm những kiến thức về quá trình cô đặc nói riêng và các quá trình khác nói chung; nâng cao kỹ năng tra cứu, tính toán, xử lý số liệu. Biết cách trình bày theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề 1 cách có hệ thống. Việc thiết kế đồ án môn học “Quá trình thiết bị trong công nghệ hóa học" Là một cơ hội tốt cho sinh viên nghành hóa nói chung và bản thân em nói riêng làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất. Mặc dù đã cố gắng hoàn thành tốt nhiệm vụ, song do hạn chế về tài liệu, hạn chế về khả năng nhận thức cũng như kinh nghiệm thực tế, nên em không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế. Em mong được các thầy cô xem xét và chỉ dẫn thêm. Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo: 1. Tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học. NXB Khoa học – Kỹ thuật ( 1974, tập 1). 2. Tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học. NXB Khoa học – Kỹ thuật (1982, tập 2). 3. Tập thể tác giả. Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học. NXB Khoa học – Kỹ thuật (2000, tập 1,3,4). 4. GS.TSKH Nguyễn Bin. Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hóa tâp 1,2. 5. Cơ sỏ thiết kế máy hóa chất ( tác giả Hồ Lê Viên), xuất bản năm 1997. Chuyển đổi đơn vị thường gặp: