Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn Trung Tâm cô đặc dung dịch NaOH với năng suất 3,6 kg/s

với dung môi nguyên chất, trong cô đặc thường gọi đó là tổn thất nồng độ, ’ là thông số vật lý của dung dịch, nó phụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ càng tăng thì ’ càng tăng, nó còn phụ thuộc vào bản chất chất tan và dung môi đồng thời ’ phụ thuộc vào áp suất. -’ được tính theo công thức dần gần đúng của Tensico (CT.VI.10/[2 – 59]) D’o : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc J/kg * Tra bảng (VI.2/[2 – 67]) * Xác định nhiệt độ Ti Vậy: 7.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh: - Áp dụng công thức VI.13 : áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at) :chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m) : chiều cao của ống truyền nhiệt (m) : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3 ). Lấy gần đúng bằng khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC T0i=nhiệt độ sôi ứng với áp suất Pi’ : gia tốc trọng trường m/s2 - Khối lượng riêng của dung dịch 20ºC ứng với mỗi nồng độ được xác định theo bảng (I.23/ST1 – T34) Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là - chọn h1 = 0,5 m và h2 = 2 m ( đề ra ) Tra bảng (I.251/ST1- T314) Vậy: 7.3 Tổn thất do đường ống - Như đã nói ở trên ta chọn tổn thất nhiệt độ do đường ống là :1oC Vậy: tổng tổn thất nhiệt độ là: 8. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống: Nhiệt độ hữu ích của hệ thống. (CT VI.16/[2 –67]) Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ ngưng ở thiết bị ngưng tụ. (CT VI.16/ST2 – T67) Vậy : Xác định nhiệt độ sôi của từng nồil nhiệt độ hơi thứ của từng nồi Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi Bảng số liệu số 2 Nồi T 1 2,54 3,304 1 28,1 123 2 13,82 2,32 1 30,316 85,84 9. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng hơi thứ Wi ở từng nồi: Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống D.i1 W1 . W1 . i2 W2 . Qm1 Qm2 (Gd -W1 -W2)C2.ts2 Gd .ts0 .Cd (Gd - W1 )C1 .ts1 D.Cnc1 . W1 .Cnc2 . Trong đó : D: Lượng hơi đốt vào (kg/h) : Hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1 , nồi 2 (J/kg) : Hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1 , nồi 2 (J/kg) : Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 Cd : Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg độ) Cnc1 , Cnc2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 , nồi 2 (J/kg độ) C1, C2 : Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 , nồi 2 (J/kg độ) Qm1,Qm2 : nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2 Gd : lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị (kg/h) W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2 9.1- Nhiệt lượng vào - Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i1 Nhiệt do dung dịch mang vào : Gđ .Cd.ts0 - Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2 Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1 9.2- Nhiệt lượng mang ra: - Nồi 1: - Hơi thứ mang ra : W1 - Nước ngưng : D..Cnc1 - Dung dịch mang ra : (Gd – W1)C1ts1 - Nhiệt mất mát : Qm1=0,05D(i1 – Cnc1) - Nồi 2 : - Hơi thứ : W2. - Nước ngưng : W1..Cnc2 - Do dung dịch mang ra : (Gd – W1 – W2)C2.ts2 - Nhiệt mất mát: Qm2 = 0,05W1(i2– Cnc2) 9.3- Hệ phương trình cân bằng nhiệt: Các PT được thành lập dựa trên nguyên tắc : Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra * Phương trình cân bằng nhiệt cho từng nồi: - Nồi 1: (1) - Nồi 2: (2) 9.4 Tính toán các thông số: Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau: C = 4186,8.(1 - x) (J/kg.độ) ( CT I.43 – [1 – 152]) x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%) Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x= 5% C0 = 4186( 1-0,05) =3976,7 (J/kg.độ) Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ là 8,57%: C1 =4186.(1-0.0857) = 3827,259(J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ >20% được tính theo công thức sau: Theo công thức I.144- [1-152] C = Cht .x + 4186( 1-x) (J/kg.độ) Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan( không có nước) J/kg.độ Cht được tính theo công thức MNaOH.Cht = SCi.Ni ( CT I.41 – [1 –152]) M :khối lượng phân tử của chất tan Ci :nhiệt dung riêng của các đơn chất(tra bảng I.141- ST1- T152) Ni :số nguyên tử trong phân tử Với : CH =9630 (J/kg độ); CO = 16800 (J/kg độ) CN = 26000(J/kg độ) Vậy : Cht = == 1310,75 (J/kg độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 là: C2 = 1310,75.0.3+ 4186(1-0,3) = 3323,425 (J/kg độ) * Nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt 1 = 151,1 0C 2 = 116,156 0C Ts0=Ts1=123 oC Ts2=85,84 oC Dựa vào bảng I.249 –[1_310] ta có nhiệt dung riêng của nước ngưng tra theo nhiệt độ. Cnc1=4255,5 J/kgđộ Cnc2=4213 J/kgđộ Thay vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: W1 = Thay W1 vào (1) D1 D1 = Thay các số liệu ở trên vào và Ta có bảng số liệu như sau Bảng 3 Nồi C J/kg độ Cnc J/kg độ q, °C W , kg/h Sai số e Giả thuyết Tính toán 1 3827,259 4255,5 151,1 5400 5365,83 0,63 2 3323,425 4213 116,156 5400 5434,17 0,63 Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W1 : W2 = 1: 1 Sai số giữa Lượng hơi thứ các nồi được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn. 10.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi: 10.1.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 W/m2. độ ( V.101/[2 – 28]). 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 đã ghi ở bảng số liệu 1: 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 = 151,1 oC tm1 = 151,1 – 0,5.2,12= 150,04 oC t2 = 116,156 oC tm2 = 116,156 – 0,5.1,98 = 115,166oC Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : [2 – 29 ] với: t1 = 150,04oC A1 = 195,506 t2 = 115,166oC A2 = 185,3747 Vậy: 10.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: W/m2 ( CT 4.14/[1_1] q11 = 10601,785.2,12 = 22475,785 (W/m2) q12 =10344,698.1,98 = 20482,5 (W/m2) Bảng 4: Nồi 1 2,12 150,04 195,506 10601,785 22475,785 2 1,98 115,166 185,3747 10344,698 20482,5 10.3.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: (W/m2 độ ) (CT /[1_332]) Pi: áp suất hơi thứ at Xem bảng 1: P1’=1,982 at P2’=0,25 : 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[2 _ 4 ] r1 = 0,232.10-3 m2 độ/W r2 = 0,387.10-3 m2 độ/W - Tra bảng ( VI.6[2 – 80] ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là - Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép Crom Niken Titan( X18H9T ), hệ số dẫn nhiệt của nó là: W/m. độ 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 = 123 oC ts2 85,84 oC * Khối lượng riêng : - Khối lượng riêng của nước: tra bảng I.249[1_311] - Khối lượng riêng của dung dịch NaOH :tra bảng ( I.22[1_34] Lấy = 1/2 khối lượng riêng của dd ở 20 oC * Nhiệt dung riêng : - Nhiệt dung riêng của nước :tra bảng I.249 [1 – 310] Cnc1 = 4254,8J/kg. độ Cnc2 = 4213 J/kg. độ - Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:( theo bảng 3 ) Cdd1 = 3827,259 J/kg. độ Cdd2 = 3323,425 J/kg. độ * Hệ số dẫn nhiệt: - Hệ số dẫn nhiệt của nước: tra bảng I.129[1_133] 6 W/m. độ W/m. độ - *Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaOH: Theo I.32, [1-123] ta có công thức: 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, ở đây là hỗn hợp của NaOHvà H2O, kg/mol M=a.MNaOH + (1- a).MH2O = 111a + 18(1 – a) a: là nồng độ phần mol của CaCl2 Nồi 1: x1=8,57% khối lượng =>M1 = 40.0,04+ 18(1-0,04) = 18,88 (kg/mol) Nồi 2: x2 = 30% khối lượng =>M2 = 40.0,1616+ 18(1-0,1616) = 21,555 (kg/mol) Vậy ta có: = 0,219 (W/m.độ) = 0,247 (W/m.độ) * Độ nhớt : - Độ nhớt của nước tra bảng ;(I.104/ST1 – 96) ( Cp) Độ nhớt của NaOH ( bảng I.101/ ST1- 91 ) Nồi 1 527 940,61 4254,8 3827,259 0,2149 0,686 0,36 0.226 2 664 968,045 4213 3313,425 0,247 0,68 2,06 0,332 Lập bảng số liệu 5: 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) 10.4.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : (W/m2) =1542,07.13,226=20395,4(W/m2) 10.5.So sánh q2i và q1i : - Chênh lệch giữa q21 , q11 và q22 , q12 ( ) Vậy giả thiết được chấp nhận. 11. Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi Áp dụng công thức: N/m2. độ [3-333] 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 Lượng nhiệt tiêu tốn được xác định theo công thức: Qi= [3-333] Nồi 1: Q1 == = 3280703,139(W) Nồi 2: Q2 = 3305053,178(W) 12..Hiệu số nhiệt độ hữu ích 12.1. Xác định tỷ số sau : 12.2.Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi : Công thức: oC (VI.20, [2-68]) vậy: 13. So sánh DTi', DTi tính được theo giả thiết phân phối áp suất = .100% = 4,8% = . 100% = 4,7% NX: Sai số này nhỏ hơn 5% ,vậy phân phối áp suất như trên là hợp lý Nồi Ki N/m2. độ Qi , W ,oC ,oC 1 794,8 3280703,139 28,1 26,71 4,8 2 674,2 3155406,142 30,316 31,71 4,7 14. 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: PHẦN III. Tính thiết bị phụ: I. Thiết bị 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 5at ,Chọn thđ = t1 = 151,1 (0C), hơi nước đi ngoài ống từ trên xuống, hỗn hợp nguyên liệu đi trong ống từ dưới lên. Ở áp suất 5at Þ t1=151,1 oC ( Tra bảng I.251[1/315] Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng(25oC) đi ra ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (tso = 123oC). Chọn loại ống bằng thép crom niken titan ( X18H9T )đường kính d = 38±2 mm ; L = 2(m) λ = 16,85W/m.độ (bảng I.125, [1-127]) 1- Nhiệt lượng trao đổi :( Q) Q = F.Cp.(tF – tf) ,W Trong đó : - F: lưu lượng hỗn hợp đầu , F = 12960(kg/h) - tF : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tF = tso = 123oC - Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại: Cp= Co=3976,7J/kg.độ - tf: Nhiệt độ môi trường: tf = 25oC Thay số : Q== 1399804,56(W) 2- Hiệu số nhiệt độ hữu ích: Δ tđ = 151,1 – 25 = 126,1 (0C) Δ tc = 151,1 – 123= 28,1 (0 C) - Do = =4,48 > 2 nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là: ttb = = = 65,35(0C) - Hơi đốt: t1tb = 151,1 (0C) - Phía hỗn hợp: t2tb = 151,1 – 65,35= 85,75(0C) 2.1- 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 r = 2117000 (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 = 3,8 (0C) Ta có : tm =151,1 - = 149,2 (0 C) Tra bảng [2-29]=> A = 195,51538 Thay số: α1= = 9156,66 (W/m2.độ) 2.2- Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ : Áp dụng công thức : q1 = α1.Δt1 [W/m2] Thay số : q1 =9156,66.3,8= 34795,3(W/m2 ) 2.3- Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy : Chọn Re = 10000 Theo công thức V.40-[2-14] ta có : Nu = 0,021.εk.Re0,8.Pr0,43.()0,25 Mà Nu = Þ α = 0,021..k.Re0,8.Pr0,43.()0,25 , Trong đó : - Prt: Chuẩn số Pran - εk: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đường kính d của ống. ta có := = 58,824 > 5m → εk= 1 (theo CT V.2- [2-15]) *Tính chuẩn số Pr : Pr = (CT-V.35-[2-12]) - Cp : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở ttb = 65,35 0C tra theo bảng (I. [1-20]) : Cp=C0= 3976,7 (J/kg.độ) - Tra bảng (I .107- [1-101]) ta có độ nhớt dung dịch: µ = 0,498.10-3 (Ns/m2) - Tra bảng I.23-[1-35]- ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp ở ttb ρ = 1048, kg/m3 - nồi 1: x = 8,57 % khối lượng - Với A=3,58 .10-8 Þ λ = A.Cp.ρ =3,58.10-8. 3976,7 .1048 . =0,569 (W/m.độ) Thay số vào CT ta được : Pr= =3,479 + Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống : Δtt = tt- tt= q1.∑rt Trong đó : tt : Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp - 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[2 _ 4 ] r1= 0,232.10-3 m2 độ/W r2 = 0,387.10-3 m2 độ/W - Tra bảng ( VI.6[2 – 80] ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là - Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép Crom Niken Titan( X18H9T), hệ số dẫn nhiệt của nó là: W/m. độ Þ m2 độ/W Thay số : Δtt =34795,3. 0,7369.10-3 = 26,668 oC => tT2 = tT1 – ΔtT = 151,1 – 26,668 = 125.431 oC Δt2 = – t2tb= 125,431– 85,75= 39,681oC *)Tính chuẩn số Prt= t - Trong đó : Cpt : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Cpt =C1= 3842,33 J/kg.độ µt : Độ nhớt của hỗn hợp tra bảng ( I.107-[1-100] ) : µt = 0,602.10-3 Ns/m2 λt : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở tt2 Ta có : λt = A.Cp. Với : A = 3,85.10-8 : khối lượng riêng của hỗn hợp ở tt= 110,390C Tra bảng I.23[1-35] ta có : ρ =980 kg/m3 Thay vào công thức ta có : lt = 3,58.10-8. 3876,7.980. = 0,5( W/m2.độ) Thay số vào ta được : Prt = = 4,58 Thay số ta có hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy : αt = 0,021. .(10000)0,8. (3,479)0,43.= 888,84 2.4- Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : Ta có : q2 = αt.Δt2 = 888,84.39,681 = 35270,8 (W/m2) 2.5- Kiểm tra sai số: = = .100% = 1.36% Sai số nhỏ hơn 5% ta chấp nhận giả thiết 3. Bề mặt truyền nhiệt: Công thức tính : F = Trong đó : Nhiệt lượng trao đổi : Q = 1399804,56 (W) q tb :Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch qtb = =35033,05 (W/m2) Thay số : F ==39,956 (m2) 4. Số ống truyền nhiệt: Công thức tính : n= Trong đó : F : Bề mặt truyền nhiệt F= 39,956(m2) d : đường kính ống truyền nhiệt d = 0,034 m H : Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2 (m) Thay số : n==187,13 Qui chuẩn n = 169 ống .Theo bảng V.11-[2-48] ta có: Bảng 7: Số hình sáu cạnh Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh ( kiểu bàn cờ ) Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu 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 Số ống thiết bị Dãy1 Dãy 2 Dãy3 5 17 217 4 - - - 241 5- Đường kính trong của thiết bị đun nóng : Áp dụng công thức (CT-V.50-[2-49] ta có : D = t.(b – 1) + 4.dn Trong đó: dn : Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = d + 2.S = 0,034 + 2.0,002 = 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 sáu cạnh b = 13 Thay số : D =0,0532.(17 - 1) + 4.0,038 = 1,0032 Qui chuẩn : D = 1 m=1000 (mm) (bảng XIII.6 . [2-359 ] 6- Tính vận tốc và chia ngăn -Vận tốc thực : Gđ = 10800 kg/h n = 169 ống d = 0,034 m r = 986 kg/m3 Thay số ta có: =0,0185 (m/s) -Vận tốc giả thiết: = =0,1796 (m/s) Vì lớn 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: m = ÞQuy chẩn 10 ngăn Vậy các kích thước của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là: - Bề mặt truyền nhiệt: F = 39,956 (m2) - Số ống truyền nhiệt: n = 217(ống) - Đường kính của thiết bị: D = 1000 (mm) - Chiều cao giữa 2 mặt bích: H = 2 (m) II thiết bị ngưng tụ baromet 1. Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet: 2. Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ baromet: - Lượng hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2=5434,17 [Kg/h] - áp suất ở thiết bị ngưng tụ là: Pn=0,3 [at] Tra bảng I.252 [1_316] có: Tn=68,7 oC - các thông số vật lí của hơi thứ ra khỏi nồi thứ 2 : P2’=0,315 [at] T2’=69,7 oC i2’=2627000 [J/kg] r2’=2340000 [J/kg] 2.1/ Tính lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: (kg/h) Với : -i: nhiệt lượng riêng của hơi nước ngưng Tra bảng I.252 [1_314] với pn=0,3 [at] i=2627000 [J/kg] -,:nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh Ta chọn t= 25 , tc=50 oC -:nhiệt dung riêng trung bình của nước, chọn ở nhiệt độ: ta được =4178( J/ kg.do) Thay vào công thức ta có: à Gn (kg/h) 2.2/ Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ: , ( m) Với : -:khối lượng riêng của hơi ngưng Tra bảng I.252 [1_314] với pn=0,3 [at] Ta được =0,1876 [kg/m3] -:tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ Chọn tốc độ hơi ngưng tụ là =30 m/s D Quy chuẩn theo bảng VI.8 [2_88] lấy Dtr=0,8 ( m ) 2.3/ Tính kích thước tấm ngăn: Tấm ngăn có dạng hình viên phân để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn là b, có đường kính là d. Theo công thức [ 2-85]: B = Dtr/2+50 = 800/2 +50 = 450 (mm) Trong đó: : là đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, =800(mm) Trên tấm ngăn có nhiều lỗ nhỏ, đường kính lỗ là 5mm, chiều dày tấm ngăn là 4mm. 2.4/ Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ: , ( m) Trong đó : tốc độ của tia nước, lấy =0,62 m/s à =0,0563(). 2.5/ Tính bước lỗ t: Lỗ xếp theo hình lục giác đều bước lỗ được tính theo công thức: , (mm) Với : -: đường kính của lỗ (mm) dùng nước bẩn à d= 5mm. -:tỉ số giữa tổng diện tích thiết diện các lỗ với diện tích thiết diện của thiết bị ngưng tụ. Chọn =0,1 à Thay vào ta được (mm). 2.6/ Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ: Mức độ đun nóng thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức sau: Trong đó: - nhiệt độ của hơi bão hòa ngưng tụ , = 68,7. Quy chuẩn theo bảngVI.7 [2_86] lấy 0,580 Tra bảng số liệu: Số bậc Số ngăn Khoảng cách giữa các ngăn Thời gian rơi qua 1 bậc Mức độ đun nóng đường kính của tia nước 2 4 400 0,41 0,580 5 Ta có chiều cao của thiết bị ngưng tụ: H= 4400= 1600(mm) Thực tế, do hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó sẽ giảm dần, do đó khoảng cách hợp lý giữa các ngăn cũng nên giảm dần từ dưới lên trên khoảng 50 mm cho mỗi ngăn. Khi đó chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ là . Khoảng cách trung bình giữa 2 ngăn cuối cùng là 450mm. Do đó: = 450+400+350+300= 1500(mm) 2.7/ Kích thước ống baromet: (m) Trong đó: w- tốc độ hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng tụ trong ống baromet , m/s ; thường lấy = 0,5 – 0,6 m/s à chọn w= 0,5 m/s. wn- lượng nước ngưng , kg/h. Gn- lượng nước lạnh tưới vào tháp , kg/h. à d ==0,304 m 2.8/ Xác định chiều cao ống baromet: Theo công thức VI.58, [2-86]: H=h1+h2+0,5 (m) Áp dụng công thức VI.59, [2-86]: , m h1: là chiều cao cột nước cân bằng với hiệu số áp suất của thiết bị ngưng tụ và khí quyển: Với: Pck= 760 – 735,6.Png=760– 735,6.0,3=539,32 (mmHg) à h1= [m] Áp dụng công thức VI.61, [2-87]: , m + h2: là chiều cao cột nước trong ống baromet, để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống, tính theo công thức: Với: - là hệ số ma sát nước chảy trong ống Ta có: trong đó w=0,5 (m/s) Do nên ta có: theo I.249 [ 1-310] Thay số vào ta được : Re==172091,41 Vậy : Mặt khác ta có: =7,33+0,031855+7,9.10-4H Vậy H=7,367 [m] Quy chuẩn H=10,5 (m) 2.9/ Tính lượng hơi và không khí ngưng: + Lượng không khí cần hút là : Theo công thức VI.47, [2-84]: Gkk=0,000025.W2+0,000025.Gn+0,01W2 =0,000025.5434,17+0,000025.125805,32+0,01.5434,17 =57,62 [Kg/h] + Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ là: Theo công thức VI.49, [2-84]: Trong đó: 288 J/kg.độ – hằng số khí đối với không khí Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô thì tkk được xác định theo công thức thực nghiệm: : là áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp lấy theo , tra bảng I.250 [1-312] ta được =0,0367 at. Thay số vào ta có: 0,0368 [ m2/s] 2.10 Tính toán bơm chân không: Công suất của bơm: Với m : là chỉ số đa biến, lấy m=1,5 =25829,73 ( N/m2) , ( N/m2) , ( N/m2) :hiệu suất, lấy =0,7 Thay vào ta có : =0,863(kW) Tra bảng II.58 [1_513]Bơm chân không vòng nước PMK . Chọn bơm PMK 1, quy chuẩn theo công suất trên trục bơm : Công suất Nb=3,75kW Số v/ph :n=1450 (v/ph) Công suất động cơ quy định (kW) Lưu lượng nước : 0,01 () III.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-[1-438]: -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=12960kg/h r khối lượng riêng dung dịch ở 25 oC tra bảng I23 [1-35] = 1052,1kg/m³ d là đường kính ống dẫn d=0,05m 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 ( I101 [1-91]) Có = 0,4.10¯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=7,6.1599,18=12153,76(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+3,078=15,078 m Vậy chọn bơm có áp suất toàn phần có H ≥ 14m.Theo bảng II.36-[1/444] 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[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-[1-439] 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 toán lượng dự trữ dựa vào khả năng tái của bơm: với b là hệ số dự trữ công suất và theo bảng II.33-[1-440] ta chọn b=2. Do đó: (kw) Vậy ta chọn bơm có công suất 2kw IV.Xác định chiều cao thùng cao vị: 4.1 :Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc: +)Áp suất động học: Công thức tính : ΔPd = Trong đó: = 998,77 (kg/m3)(dung dịch 5%, nhiệt độ sôi là 119,621ºC) đường kính ống dẫn liệu là d = 70 (mm)( tính ở phần cơ khí) ω = = = 0,937 (m/s) Vậy ΔPd = =438,508 (N/m) +) Áp suất để khắc phục trở lực ma sát: Công thức tính : Δ Pm = . Chọn chiều dài ống dẫn là L= 2m , dtd = 0,07 (m) Chỉ số Reynold: Re = µ: Độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi (nhiệt độ cuối khi gia nhiệt) Tra bảng độ nhớt ( I_101) – [ 1_ 91] được µ = 0,36.10-3 ( N.s/m2) Re = = 181970> 10 Do đó chế 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 – [1-381] có: ε = 0,1 – 0,15 mm Chọn ε =0,1 mm → = = 700 Regh = 6()8/7 = 6. = 1,07.10 Ren = 220()9/8 = 220. = 3,49.10 Do Regh < Ren < Re nên hệ số ma sát tính theo công thức II.65-T1-380: với : độ nhám tương đối xác định theo công thức: = 0,0014 = 0,022 Vậy ΔPm = λ..ΔPd = 0,022. = 2847,03 (N/m) Trở lực cục bộ trên đường ống: : hệ số trở lực cục bộ. Trở lực cục bộ gồm: + 3 khuỷu 900, mỗi khuỷu do 3 khuỷu 300 tạo thành [1-394] Chọn ab = 1 → + 1 van tiêu chuẩn: giả thiết van mở 100% → 4,1 [1-397] + trở lực vào ống: 1 + trở lực ra khỏi ống: 0,5 + đột thu từ thiết bị gia nhiệt đến ống: Tính f1f2 . Trong đó: f1: tiết diện ống f1 = 0,785. 0,072 = 3,8465.10-3 (m2) f2 = =0,084(m2) → f1f2 = = 0,049 → 0,485 → = 0,9 + 4,1 + 1 + 0,5 + 0,485 = 6,985 → ∆Pc = 6,985. 438,508 = 3062,978 (N/m2) → ∆P = ∆Pđ + ∆Pm + ∆Pc = 438,508+ 2847,03 + 3062,978 = 6348,516 (N/m2) Chiều cao chất lỏng tương đương: 4.2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu +)Áp suất động học Công thức tính : ΔPd = Trong đó: ρ là khối lượng riêng ở nhiệt độ đầu ρ = 1051,84 (kg/m) (Tra bảng I23-[1-35] ở nhiệt độ 250C,nồng độ đầu 5%) Chon đường kính ống từ thùng cao vị dẫn chất lỏng đến nồi bằng đường kính đầu vào nồi. d=70mm( tính ở phần cơ khí) ω = ω = = 0,889 (m/s) Thay số : ΔPd = = 416,38(N/m) +)Áp suất để thắng trở lực ma sát ΔPm = λ= λ.ΔPd Chọn L=15m Chỉ số Reynold : Re = với µ= 0,5375.10(N/m), tra bảng (I- 101)-[ 1-91] Re = = 139723,49 Chọn ống làm bằng Thép CT3 với : độ nhám tương đối xác định theo công thức: = 0,0014 = 0,1519 Vậy ΔPm = ξ.= λ..ΔPd = 0,1519. = 13553,169 (N/m) +)Trở lực cục bộ Trở lực cục bộ trên đường ống: : hệ số trở lực cục bộ. Trở lực cục bộ gồm: + 3 khuỷu 900, mỗi khuỷu do 3 khuỷu 300 tạo thành [1-394] Chọn ab = 1 → + 1 van tiêu chuẩn: giả thiết van mở 100% → 4,1 [1-397] + trở lực vào ống: 1 + trở lực ra khỏi ống: 0,5 + đột thu từ thiết bị gia nhiệt đến ống: Tính f1f2 . Trong đó: f1: tiết diện ống f1 = 0,785. 0,072 = 3,8465.10-3 (m2) f2= =0,084(m2) → f1f2 = = 0,049 → 0,485 → = 0,9 + 4,1 + 1 + 0,5 + 0,485 = 6,985 → ∆Pc = 6,985. 438,508 = 3062,978 (N/m2) → ∆P = ∆Pđ + ∆Pm + ∆Pc = 416,38+ 1553,169 + 3062,978 = 17032,527 (N/m2) Chiều cao chất lỏng tương đương: 4.3 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu +)Áp suất động học Công thức tính: ΔPd = Trong đó: ρ: = 1030.2(kg/m) ω : Vận tốc hỗn hợp ω = = = 0,311(m/s) Thay số: ΔPd = = 49,85(N/m) +) Áp suất để khắc phục trở lực ma sát: Công thức tính: Pm = λ= λ.ΔPd Chỉ số Reynold : Re = với µ= 0,485.10(N/m), tra bảng (I- 101)-[ 1-91] = 1573,48 Ta có Regh = 6()8/7 = 6= 3542,4 Ren = 220()9/8 = 220( 0,026/0,1.10-3)9/8 = 1,14.105 Nhận thấy Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát tính theo công thức λ = 0,1( 1,46. = 0,1.(1,46.0,1/26 +100/1573,48)0,25=0,0512 Chiều dài tương đương Ltd = 2. 6= 12 (m) Thay số : ΔPm = 0,0512. = 421,06 (N/m2 ) +)Trở lực cục bộ: Công thức tính : ΔPc = ξ.ΔPd Vì dung dịch trong ống chùm nên hướng dòng chảy khi vào và ra ống truyền nhiệt đa dạng và có đột mở ,đột thu: Tiết diện ống dẫn dung dịch ra và vào thiết bị (lấy đường kính ống dẫn bằng ống dẫn hỗn hợp đầu vào):d=0,07(m) f 1 = = (m2 ) Tiết diện phần dưới thiết bị nơi có ống dẫn dung dịch vào và ra : f 2= = = 0,0837 (m2 ) Tiết diện ống truyền nhiệt trong mỗi ngăn : f 3= .= = 0,04 (m2 ) Khi chất lỏng chảy vào thiết bị (đột mở ) ξ1 = (1 - )2 = = 0,91 Khi chất lỏng từ khoảng trống vào ngăn (đột thu): Ta có: = = 0,489 Tra bảng (II_16) - [ 1_388] ta có: ξ2 = 0,405 Khi chất lỏng chảy từ ngăn ra khoảng trống vào đột mở: ξ3 = (- 1 )2 = = 0,632 Khi chất lỏng chảy ra khỏi thiết bị :(đột thu) = = 0,046 Tra bảng (II _ 16) – [1_388] ta có: ξ4 = 0,488 Ngoài phần trên và phần dưới của ống dòng chảy chuyển dòng 14 lần với góc chuyển 90o có trở lực cục bộ (): 14.1,1=15,4 ∑ ξ = ξ1 + 6.ξ2 + 6.ξ3 + ξ4 +ξ5= 0,91 + 6. 0,405 + 6.0,2726 + 0,488+15,4 ∑ ξ = 20,86 Vậy ΔPc = 20,86.26 = 542,453 (N/m2 ) Trở lực thuỷ tĩnh: ΔPH =ρ.g.H = 1030,2.9.81.2 = 20212,524 (N/m2 ) => H3’ = = 2,1 (m) 4.4 Chiều cao thùng cao vị: Coi chất lỏng chảy hết thùng cao vị thì chất lỏng chảy được xuống mặt cắt (1-1) Áp dụng pt Becnulli cho mặt cắt 1-1 và 2-2. Chọn mặt cắt 0-0 làm chuẩn H1 + + = H2 + + Do dT > do → ω1 << ω2 coi ω1=0 (vận tốc chất lỏng vào trong ống dẫn) Trong đó ρ1 = = 1051,84 (kg/m) ρ2 = 1030,2 (kg/m) P1 = Pa = 1atm=1,033.9,81.104=101337,3(N/m2) P2 = Pa + ΔP Với ∆P là áp suất để thắng được trở lực trong đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc: ∆P=∆Pd+∆Pm+∆Pc=416,38+542,543+13553,169=14512,09(N/m2) Vậy P2=14512,09+101337,3=115849,392(N/m2) 1,743 (m/s) hm = H1’ + H2’ + H3’ = 0,3+0,9+2,1=3,3 (m ) Nên H1 - H2 = + - + hm = H1 - H2 = = 3,66 (m) Thùng cao vị đặt cao hơn so với cửa vào buồng đốt >= 3,66 m thì chất lỏng tự chảy. PHẦN IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ. Trong tính toán cơ khí ta chỉ cần tính cho nồi một, thông số nồi hai lấy giống nồi một I.Buồng đốt nồi cô đặc. 1.1. Tính số ống truyền nhiệt. n = -trong đó:+dtr: đường kính trong của ống truyền nhiệt. m +H: chiều cao của ống. m +F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của nồi. m2 -Chọn đường kính ngoài của ống: dn = 0,051m [2-80] -Bề dày của ống truyền nhiệt: = 0,002 m đường kính trong của ống : dtr = dn - 2 = 0,047 m n = = 482,39 ống -Qui chuẩn n = 482 ống .Theo bảng V.11-[2-48] có: +Số hình 6 cạnh : 12 +Số ống trên đường xuyên tâm 6 cạnh: 25 +Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân :469 +Tổng ống trong thiết bị:517 + Số ống không nằm trên hình viên phân là : 517 -469 = 48 ống +Chọn cách bố trí các ống theo hình lục giác đều 1.2. Đường kính trong của ống đốt. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm Đường kính ống tuần hòa trung tâm xác định theo công thức : Dth = Trong đó : ft = 0,3 Fd = 0,3. = 0,3. =0,224 Dth = Theo bảng XIII.26[2-416] Quy chuẩn đường kính ống tuần hoàn trung tâm Dth = 400 mm -Đường kính trong của ống đốt được tính theo công thức: Dt = VI.40 [2-74] -Trong đó: thường lấy chọn t- bước ống ,mm dn- đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m hệ số sử dụng lưới đỡ ống thường dao động trong khoảng 0,7 0,9; chọn l– chiều dài của ống truyền nhiệt,m; Dt=đường kính ngoài của ống truyền nhiệt sin= sin 60 thay vào Dtr==1,9 m Quy chuẩn Dtr = 1,9 m = 1900 mm (bảng XIII.6-[2-359]) 1.3.Tính bề dày buồng đốt. -Chọn vật liệu làm thân buồng đốt la thép CT3 -Bề dày của buồng đốt tính theo công thức: S = + C, m (CT XIII.8-[2-360]) (*) -Trong đó: + Dt:đường kính trong của thiết bị,m +: hệ số bền của thân hình trụ theo phương dọc, = 0,95(tra bảng VIII.8-[2-362]) + P: áp suất trong của thiết bị ,N/m2 +C: hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai về chiều dày, m + : ứng suất cho phép N/m2 Khi đó: Dtr = 1900 [mm] = 1,9 [m] = 0,95 ( Tra bảng XIII.8 [2- 362]) C = C1 + C2 + C3 [m] ( CT_XIII.7[2-360]) +Với C = C1 + C2 + C3 ,m (CT VIII.7 [2-360] C1: bổ xung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian của thiết bị làm việc.do chọn thiết bi làm việc là CT3 nên C1 = 1mm C2: đại lượng bổ xung do hao mòn, C2 chỉ tính đến trong trường hợp nguyen liệu co chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn nhất ở trong thiết bị. Thông thường ta chọn C2 bằng 0 Đại lượng bổ xung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu ( bảng XIII.9-[2-364]). C3 = 0,8mm C = 1,8 mm +Khi tính toán sức bền của thiết bị trước hết cần xác định ứng suất cho phép. Đại lượng ứng suất cho phép phụ thuộc vào dạng ứng suất, đặc trưng bền của vật liệu chế tạo, nhiệt độ tính toán, công nghệ chế tạo và điều kiện sản xuất. *ứng suất cho phép khi kéo [sK] = h :giới hạn bền khi kéo (tra bảng XII.4-[2-309] -Với loại dày từ 4-20mm) : = 380.106 N/m2 *: ứng suất cho phép theo giới hạn chảy [sC] = h = 240.106 N/m2(bảng XII.4-[2-309] -Với loại dày từ 4-20mm) *h: hệ số hiệu chỉnh, h = 0,9 (bảng XII.2-[2-356]chọn loại thiết bị I *nb, nc hệ số an toàn theo giới hạn bền và giới hạn chảy nb = 2,6 ;nc = 1,5 (bảng XIII.3-[2-356] +Thay số vào ta có: [sK] = h = .0,9 =131,54.106(N/m2) [sC] = h = .0,9 =144.106 (N/m2) +So sánh hai giá trị [sK] , [sC] ta chọn [s] =131,54.106 (N/m2) + P = Phd= 5.9,81.104 =49,05.104 (N/m2) Vì j = 0,95 = 264,76 > 50nên có thể bỏ qua P ở mẫu sô công thức (*) S= + C =+ 1,8.10-3=4,55.10-3m=4,15mm. Quy chuẩn S = 6 mm +Kiểm tra điều kiện ứng suất bằng công thức s = (CT-XIII.26-[2-365]). P0= Pth+Pl ,N.m2 (CT-XIII.27-[2-366]) Pth: áp suất thủy lực.Pth = 1,5. Phđ (bảng XIII.5-[2-358]) Pth = 1,5. Phđ = 1,5.49,05.104 = 73,575.104 N/m2 Pl: áp suất thủy tĩnh của nước: Pl = gH.,N/m2 : khối lượng riêng của hơi nước bão hòa ( I.251-[1-355]) = 2,614 kg/m3 ở Phđ H: chiều cao cột chất lỏng; H=0,5m Þ Pl = 2,614. 9,81.0,5= 12,82(N/m2) P0 =735750+12,82 = 735762,82= (N/ m2 ) s= 92,588.106 £200.106 Vậy ta chọn S = 6 mm 1.4.Chiều dày lưới đỡ ống: Chiều dày lưới đỡ ống phải thỏa mản những yêu cầu sau: -giữ chặt ống khi nung ,bền -chịu ăn mòn -giữ nguyên hình dạng khi khoan, khi nung cũng như sau khi nung ống -bền dưới tác dụng của các loại ứng suất a)để đáp ứng yêu cầu 1: Chọn S’=10mm b)để đáp ứng yêu cầu 2: S=S’+C= 10+1,8=11,8mm Chọn S = 12mm c)đáp ứng nhu cầu 3: ffmin=4,4.dn+12 ta có: f=12.(57-38)=228 mm2 fmin=4,4.38+12=179,2 mm2 vậy f > fmin d)để áp ứng nhu cầu 4 : ta tiến hành kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn.điều kiện : Trong đó : - Pb : áp suất làm việc .N/m2 Pb = 49,05.104 N/m2 - dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , m dn = 0,038 m = 38 mm Theo hình bên ta có : AB=t.cos(300)=57. cos(300) ÛAB=49,36mm AD=t+ED=t+ t.sin(300) ÛAD=57+57.0,5=85,5mm l= P=5at; dn=38mm; S=12mm Thay số vào công thức trên ta có: Û Vậy thỏa mản điều kiện nên chọn chiều dày mạng ống là 12mm 1.5.Chiều dày đáy phòng đốt : Dtr h hb Nắp và đáy thiết bị là những bộ phận quan trọng của thiét bị và thường được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị. Đáy và nắp thiết bị có thể nối với thân bằng cách hàn, ghép bích hay hàn liền với thân. Chọn đáy và nắp là elip có gờ, làm bằng vật liệu thép CT3. Chiều dày đáy và nắp phòng đốt được tính theo công thức : S = + C (CT-XIII.47-[2-385]) (*) Trong đó:+hb: chiều cao phần nồi của đáy hay nắp thiêt bị, hb được tra theo bảng XIII.10[2-382] Do: Dt = 1000 [mm] nên hb = 300 [mm] +: hệ số bền hàn hướng tâm , = 0,95 +K: hệ số không thứ nguyên, được xác định theo công thức sau: K=1- (CT-XIII.48-[2-385]), d: đường kính lớn nhất ( hay kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình tròn ), (CT-VII.42-[2-74]) Với V là lưu lượng dung dịch ra khỏi nồi 1: . 10-3 m3/s vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống;với dd NaOH ta chọn = 0,5(m/s).Thay vào ta có : ÞK=1-=0,939 p là áp suất hơi ra khỏi phòng đốt p = 1,982at= 19,437.104(N/m2) xét > 30 cho nên ta bỏ qua p ở mẫu số vậy biểu thức (*) được viết dưới dạng là: S = + C ÛS = + C= 7,2.10-4+C (m) Đại lượng bổ xung C khi S – C < 10 mm nên ta thêm 2mm so với C do đó: C = 2 + 1,8 = 3,8 mm ÞS = 7,2 10-4+3,8.10-3 = 4,52. 10-3 m=4,52mm Quy chuẩn chiều dày S = 6 mm để dễ chế tạo và ghép nối. Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.49-[2-386] s = (N/m2) P0=1,5.p =1,5.18,168.104=29,1555.104(N/m2) Þs = Độ bền đảm bảo an toàn.Vậy chọn S = 6mm 1.6- Tra bích để lắp đáy vào thân : Chọn bích liền kiểu 1 , theo bảng XIII.27/[2-421] : ta có Bảng như sau: Bảng 10: Pb.106 (N/m2) Dtr (mm) Kích thước nối Kiểu bích D (mm) Db (mm) D1 (mm) Do (mm) Bu-lông 1 db mm z cái h (mm) 0,6 1900 2040 1990 1960 1913 M24 32 30 2. Buồng bốc hơi. 2.1. Thể tích không gian hơi. Thể tích không gian hơi được tính theo công thức: Vkgh = (m3) (CT-VI.32-[2-71]) Trong đó :+ Vkgh: thể tích không gian hơi m3 + W: lương hơi thứ bốc lên trong thiết bị kg/h. W = 10800 kg/h +: khối luợng riêng của hơi thứ kg/m3 = 1,0302 kg/m3 (Tra bảng I.251-[1-314] + Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của không gian hơi ( thể tích hơi bốc trên một đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trong một đơn vị thời gian) m3/m3.h Cường độ bốc hơi phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch và áp suất hơi thứ ở điều kiện áp suất P = 1 at thì Utt(1at) = 1600, chọn Utt (1at) = 1600 m3/m3.h Khi P 1at thì Utt = f.Utt(1at) m3/m3.h. với Utt (1at) là cường độ bốc hơi ở P = 1at. f: là hệ số hiệu chỉnh tra ở đồ thị VI.3-[2-72] Pht = 1,9822 at f = 0,87 Utt = 0,87. 1600 = 1392 m3/m3.h V = = 7,531 m3 2.2.Chiều cao phòng bốc hơi: Chiều cao không gian hơi H = (CT-VI.34-[2-72]) Chọn đường kính trong buồng bốc hơi Dt =2100 m H = = 2,175 m Chọn H = 2m 2.3. Bề dày thân 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/[2- 360] với P=Pht=1.982at= 19,437.104(N/m2) S = + C , m Vì j = 0,95 = 642,91 > 50nên có thể bỏ qua P ở mẫu số công thức (*) S= + C =+1,8.10-3=3,43.10-3m=3,43 mm. Quy chuẩn S = 6 mm +Kiểm ta điều kiện ứng suất theo công thức s = (CT-XIII.26-[2-365]) P0 = 1,5. Pht = 1,5.19,437.104 = 29,1555.104 N/m2 s= Û 73,22.106 £240.106 Vậy chọn S = 6mm 2.4. Bề dày nắp buồng bốc. Chọn nắp elip có gờ , vật liệu chế tạo là thép CT3 . Theo Công thức XIII.47/[2 – 385] , chiều dày nắp buồng bốc được xác định như sau: S = , m Trong đó: +: hệ số bền hàn hướng tâm , = 0,95 +K: hệ số không thứ nguyên, được xác định theo công thức sau: K=1- (CT-XIII.48-[2-385] d: đường kính lớn nhất ( hay kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình tròn ), (CT-VII.42-ST2-T74) Với :V là lưu lượng hơi ra khỏi nồi :m3/s rh= 1,0302 kg/m3 vận tốc thích hợp của hơi trong thiết bị;với hơi bão hào ta chọn = 20¸40(m/s), ta chọn= 30m/s .Thay vào ta có : ÞK=1-=0,876 +Dựa vào Dt = 2,1 m tra hb theo bảng XIII.10-[2-382] hb =400 mm +p là áp suất hơi ra khỏi phòng đốt p=1,982at= 19,437.104(N/m2) xét > 50 cho nên ta bỏ p ở mẫu số vậy biểu thức (*) được viết dưới dạng là: S = + C ÛS = + C= 1,49.10-3+C ,m Đại lượng bổ xung C khi S – C < 10 do đó phải tăng giá trị C thêm 2mm nên ta có : C = 1,8 + 2 = 3,8 mm ÞS = 1,49.10-3+3,8.10-3= 5,2910-3m=5,2 mm ,chọn S = 6 mm Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.49-[2-386] s = (N/m2) P0=1,5.p=1,5.19,437.104=29,1555.104(N/m2) Þs = = 134,19.106 < 240.106 Độ bền đảm bảo an toàn.Vậy chọn S = 6mm 2.5.Tra bích để lắp đáy và nắp và thân buồng bốc -Tra bích của buồng bốc (bảng XIII.27-2[2-420])-loai bích1 Pb.10-6 N/m2 Dtr (mm) Kích thước nối Kiểu bích D (mm) Db (mm) D1 (mm) D0 (mm) Bu lông 1 db Z(cái) H (mm) 0,6 2100 2240 2200 2160 2113 M24 32 30 III. Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3, góc đáy 60o Đáy nón có gờ dùng 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 60o 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 60o được tính theo công thức XIII.52/[2 – 399] Trong đó: + Dt là đường kính của thiết bị. Dt = 2100[mm] + P là áp suất hơi P = 1,982[at]=19,437.104 [N/m2] + là hệ số và có trị số bằng 0,95 + + y là yếu tố hình dạng đáy được xác định theo đồ thị XIII.15/[2 – 400]. Xét tỷ lệ: Trong đó: = 300( Tra bảng XIII.21[2_394] Khi đó: Vì S – C <10 [mm] nên thêm 2 [mm] cho đại lượng bổ sung C do đó đại lượng bổ sung C = 1,8 + 2 = 3,8 (mm) Do đó : S = 1,74+ 3,8 = 5,54 [mm] Quy chuẩn: S = 6 [mm] * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực : Với Po = 1,5.P = 1,5.19,437.104 = 29,1555.104 [N/m2] Vậy : Vậy S = 6 [mm] thỏa mãn. PhầnV. Tính toán một số chi tiết khác I- Tính đường kính các ống nối dẫn hơi , dung dịch vào ra thiết bị : Đường kính ống dẫn được tính theo công thức tổng quát sau: Trong đó: V : lưu lượng hơi dòng vào , m3/h : vận tốc thích hợp của hơi hoặc lỏng đi trong ống m/s 1.1- Ống dẫn hơi đốt nồi 1 : Với : D: lượng hơi đốt nồi 1 kg/h . D = 5578.9 kg/h : khối lượng riêng của hơi đốt được tra theo nhiệt độ hơi đốt ở bảng I.250/[1 – 313] =2,614Kg/m3 tại t1=151,1 : Ta chọn = 10 m/s Vậy đường kính ống dẫn hơi đốt là dtr = 350 mm theo bảng XIII.26/[2 – 412]. 1.2- Ống dẫn dung dịch vào : Gđ : lưu lượng dung dịch đầu : Gđ = 12960 kg/h : khối lượng riêng của dung dịch đầu : : vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống , chọn Vậy: Quy chuẩn : dtr = 70 mm 1.3- Ống dẫn hơi thứ ra : W1 : lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1 : W1 = 5365,83 kg/h : khối lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1 dựa vào bảng I.250/[1 – 313] ta có = 1,0305 : vận tốc thích hợp của hơi đi trong ống . Thường chọn Vậy: Quy chuẩn ; dtr = 450 mm 1.4- Ống dẫn dung dịch ra : : khối lượng riêng của dung dịch trong nồi 1 : Gđ : năng suất ban đầu (kg/h) : Gđ = 12960 kg/h W1 : lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1 : W1 = 5365,83 kg/h : vận tốc thích hợp của dung dịch đi trong ống dẫn , chọn = 1 m/s Vậy: Quy chuẩn ; dtr = 50 mm 1.5- Ống tháo nước ngưng : Chọn bằng đường kính trong ống tháo dung dịch ra : dtr = 70 mm Tra bích nối ống dẫn với hệ thống ống dẫn bên ngoài .Bảng XIII.26 /[2 – 409] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn II- Tra bích đối với ống dẫn bên ngoài : Bảng XIII.26/[2 – 409] : bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị vào ống dẫn Bảng 12 : ống Py .106 N/m2 Dy mm ống Kích thước nối Kiểu Bích Dn mm D Mm Di mm D1 mm Bu - long 1 h mm Db mm Z cái ống dẫn hơi đốt vào 0,6 125 133 235 200 178 M16 8 20 ống dẫn dung dịch vào 0,6 70 76 160 130 110 M12 4 16 ống dẫn hơi thứ ra 0,6 200 219 290 255 232 M16 8 16 ống dẫn dung dịch ra 0,6 50 57 140 110 90 M12 4 16 ống tháo nước ngưng 0,6 70 76 160 130 110 M12 4 16 Bảng 13: Tổng hợp số liệu tính toán BUỒNG ĐỐT THÂN Số ống truyền nhiệt 517 ống Đường kính trong 1900mm Chiều dày 6 mm Chiều cao 2000 mm ĐÁY Chiều cao gờ 30 mm Chiều cao phần lồi 300 mm Chiều dày 6 mm BUỒNG BỐC THÂN Đường kính trong 2100 mm Chiều dày 6 mm Chiều cao 2500 mm NẮP Chiều cao gờ 30 mm Chiều cao phần lồi 300 mm Chiều dày 6 mm CHI TIẾT KHÁC ống dẫn hơi đốt vào 350 mm ống dẫn dung dịch vào 70 mm ống dẫn hơi thứ ra 450 mm ống dẫn dung dịch ra 50 mm ống tháo nước ngưng 70 mm III. Tính và chọn tai treo giá đỡ : Trọng lượng nồi khi thử thủy lực : Mtl = Mnk + Mdn , N - Mnk : khối lượng nồi không ,N - M dn : khối lượng nước được đổ đầy nồi , N 3.1- 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 = 1m - chiều dày : S = 6 mm - chiều cao gờ : h = 30 mm Tra bảng XIII.11/[2 – 384] ta có khối lượng của đáy elip có gờ : m1 = 106 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 + 2.6 = 1012 (mm ) = 1,012 (m) Vậy : c) Khối lượng 2 lưới đỡ ống (m3) : (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 = 0,012 (m) D : đường kính trong buồng đốt , D = 1 m n: số ống truyền nhiệt , n = 241 dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , dn = 0,038 m Từ đó ta tính được : m3 = 2.7850.0,00614 = 96,426 (kg) d) Khối lượng của các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn (m4) : Trong đó: - : khối lượng riêng của thép X18H9T : - V4 : thể tích các ống truyền nhiệt: H: chiều cao ống truyền nhiệt , H = 2 m dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , dn = 0,038 m dtr : đường kính trong của ống truyền nhiệt , dtr = 0,034 m dthn: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm, dthn=0,426 m dtht: đường kính trong của ống tuần hoàn trung tâm, dtht = 0,400 m e) Khối lượng thân buồng bốc (m5) : kg - V5 : thể tích thân buồng bốc , m3 h : chiều cao buồng bốc : h = 1,8 m Dnbb : đường kính ngoài buồng bốc : Dnbb = Dtrbb + 2.S = 1,6 + 2.0,006= 1,612 (m) Vậy: f) Khối lượng nắp buồng bốc (m6) : Kích thước nắp : - Đường kính trong : Dtrbb = 1,6 m - Chiều dày : S = 6 mm - Chiều cao gờ : h = 30 mm Tra bảng XIII.11/[2 –384] ta có khối lượng nắp elip có gờ : m6 = 137 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 = 0,35 m Dn : đường kính ngoài trung bình của phần nón cụt =1312mm Dtr : đường kính trong trung bình của phần nón cụt Dtr = Dn – 2S = 1312 – 2.6 = 1300( mm) m7 = 7850.8,61.10-3 =67,95 (kg) h) Khối lượng 4 bích nối đáy với thân buồng đốt và thân phần nón cụt (m8) : Với V8: Thể tích các bích, H: Chiều cao các bích: 0,03m D, D0, z, db kích thước của các bích có trong bảng số liệu trên V8 = 0,03 M8 = 4.7850.5,4.10-3=170Kg i) Khối lượng 2 bích ghép lắp và thân buồng bốc ( m9 ) : V9: Thể tích các bích, V9 = 0,03 M9 = 2.7850.0,00953 = 149,621(kg) k) Tổng khối lượng nồi không: IV. Chọn kính quan sát Ta chọn kính quan sát làm bằng thuỷ tinh silicat dày 15mm, đường kính f = 300 mm Chọn bích lắp kính quan sát Tra bảng (XIII-26) trong [2-403]. Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn ta có bảng sau: Py.10-6 N/m2 Dy mm Ống Kích thước ống Kiểu bích Dn mm D mm Dd mm D1 mm Bu lông 1 db mm Z cái h mm 0,6 300 325 435 395 365 M20 12 22 V.Tính bề dày lớp cách nhiệt Bề dày lớp cách nhiệt cho thiết bị đươc tính theo công thức: an (tT2 - tkk) = ( tT1 - tT2) CT VI.66 trong [2-92] (*) Trong đó: + tT2: nhiệt độ bề mặt lớp cánh nhiệt về phía không khí, khoảng 40 50 0C, chọn tT2= 40 0C + tT1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị vì trở lực tướng 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 0C + tkk: nhiệt độ môi trường xunh quanh. Tra bảng VII.1 trong [2-97], chọn tkk = 23,40C, lấy tại Hà Nội trung bình cả năm +: hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt. Chọn vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh. Theo bảng I.126 trong [1-128] ta có = 0,0372 W/mđộ +: hệ số cách nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí : Theo CT VI.67 trong [2-92] : an = 9,3 +0,058.tT2 ® an = 9,3 +0,058.40 = 11,62W/m2.độ Thay số vào (*) (m) = 23mm PHẦN VI: KẾT LUẬN * * * Sau một thời gian cố gắng tìm, đọc, tra cứu một số tài liệu tham khảo, cùng với sự giúp đỡ tận tình của cô Phan Thị Quyên và các thầy cô giáo trong bộ môn “quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học”, em đã hoàn thành nhiêm vụ thiết kế được giao. Qua quá trình này em rút ra được một số nhận xét 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 thật sự sâu về quá trình cô đặc mà còn phải biết về một số lĩnh vực khác như: cấu tạo các thiết bị phụ khác, các quy định trong bản vẽ kĩ thuật,… -Các công thức tính toán không còn gò bó như những môn học khác mà được mở rộng dựa trên các giả thiết về điều kiện, chế độ làm việc của thiết bị. Bởi trong khi tính toán người thiết kế đã tính toán 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 có 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 kĩ năng tra cứu ,tính toán ,xử lí số liệu; biết cách trình bày theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Việc thiết kế đồ án môn học “Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học” là một cơ hội cho sinh viên ngành hóa nói chung và bản thân em nói riêng làm quen với công việc của một kĩ 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 sẽ không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế. Em mong được các thầy cô xem xét, chỉ dẫn thêm. Em xin chân thành cảm ơn!