Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi dung dịch muối ăn

LỜI NÓI ĐẦU Theo chương trình đào tạo ngành công nghệ thực phẩm, sinh viên sẽ thực hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm. Việc thực hiện niên luận nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị chế biến và lựa chọn vật liệu thích hợp. Đồng thời, niên luận này còn giúp sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở. Được sự hướng dẫn của Thầy Văn Minh Nhựt, tôi đã thực hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm với đề tài:“Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch muối ăn”. Xin chân thành cảm ơn Thầy Văn Minh Nhựt đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nhiệm quý báu để tôi hoàn thành đồ án này. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong bộ môn Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện đồ án này. Trong quá trình làm đồ án tôi không tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót....Vì vậy kính mong sự đóng góp nhiệt tình của quý Thầy, Cô và các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày 22 tháng 6 năm 2010 Sinh viên thực hiện Liêu Diệu An MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii DANH SÁCH BẢNG iv QUY ƯỚC K‎Ý‎ HIỆU v CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1 1.1 Yêu cầu 1 1.2 Tổng quan về muối ăn 1 1.3 Giới thiệu sơ lược về quá trình và thiết bị cô đặc 1 1.3.1 Giới thiệu chung về quá trình cô đặc 1 1.3.2 Phân loại 3 CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH 4 2.1 Cân bằng vật liệu 4 2.1.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ ) 4 2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi 4 2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi 5 2.2 Cân bằng nhiệt lượng 6 2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi 6 2.2.2 Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ 7 2.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch 9 2.2.4 Xác định nhiệt dung riêng dung dịch 10 2.2.5 Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi 10 2.2.6 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi 12 2.3 Tính bề mặt truyền nhiệt 12 2.3.1 Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp 12 2.3.2 Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 13 2.4 Kích thước buồng đốt 17 2.4.1 Số ống truyền nhiệt 17 2.4.2 Đường kính trong buồng đốt 17 2.5 Kích thước buồng bốc 18 2.6 Đường kính các ống dẫn 19 2.6.1 Đối với dung dịch và nước ngưng 19 2.6.2 Đối với hơi bão hòa 19 2.7 Tổng kết thiết bị chính 20 CHƯƠNG 3. THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 21 3.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 21 3.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ Baromet 21 3.2.1 Đường kính trong 21 3.2.2 Kích thước tấm ngăn 22 3.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 23 3.2.4 Kích thước ống Baromet 24 CHƯƠNG 4. TÍNH CƠ KHÍ 27 4.1 Chiều dày thiết bị 27 4.1.1 Nồi 1 27 4.1.2 Nồi 2 34 4.1.3 Nồi 3 41 4.2 Vỉ ống 46 4.3 Hệ thống tai đỡ 47 4.3.1 Khối lượng vật liệu 47 4.3.2 Khối lượng nước 49 4.4 Mặt bích 51 4.4.1 Để nối các ống dẫn 51 4.4.2 Để nối các bộ phận của thiết bị 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất hơi của mỗi nồi 6 Bảng 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao 7 Bảng 3. Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh 9 Bảng 4. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc 9 Bảng 5: Nhiệt dung riêng của dung dịch muối 10 Bảng 6. Các thông số về năng lượng 11 Bảng 7. Lượng nhiệt do hơi cung cấp 13 Bảng 8. Nhiệt tải riêng q1 phía hơi ngưng 15 Bảng 9. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi 16 Bảng 10. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi 16 Bảng 11. Bề mặt truyền nhiệt 17 Bảng 12. Kích thước buồng bốc 18 Bảng 13. Kích thước các ống dẫn 20 Bảng 14. Bảng tóm tắt thiết bị chính 20 Bảng 15. Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet 24 Bảng 16. Tổng hợp chiều dày buồng đốt, buồng bốc 46 Bảng 17. Thể tích thép 48 Bảng 18. Thể tích vỉ ống.................................................................................................49 Bảng 19 Khối lượng đáy và nắp thiết bị 49 Bảng 20. Khối lượng nước 50 Bảng 21. Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng 51 Bảng 22 . Mối ghép bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 51 Bảng 23. Mối ghép bích giữa thân với đáy và nắp 52 QUY ƯỚC K‎Ý‎ HIỆU Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước k‎ý hiệu như sau: - [AI – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - [AII – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - [B – x] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, T.S Phan Văn Thơm. Với: x: số trang Số chỉ công thức, bảng, hay địa chỉ trang web được ghi trong dấu ( ) CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU Yêu cầu Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước muối loại liên tục ba nồi, buồng đốt trong, ống ngang ; nâng nồng độ chất khô hòa tan của dung dịch từ 8% lên 26% với lưu lượng sản phẩm là 1200 kg/h. Tổng quan về muối ăn Muối ăn là một khoáng chất, được con người sử dụng như một thứ gia vị, có thành phần chính là Natri Clorua (NaCl). Tổng quan và thuộc tính của NaCl (ở 25 °C): Danh pháp IUPAC: Natri Clorua Công thức phân tử: NaCl Phân tử gam: 58,4 g/mol Pha: rắn Nhiệt độ nóng chảy: 801 °C Điểm sôi: 1465 °C Có rất nhiều dạng muối ăn: muối thô, muối tinh, muối iốt. Muối ăn là một chất rắn có dạng tinh thể, có màu từ trắng tới có vết của màu hồng hay xám rất nhạt, thu được từ nước biển hay các mỏ muối. Muối ăn có vị mặn, vị của muối là một trong những vị cơ bản. Muối ăn rất cần thiết cho sự sống của mọi cơ thể sống. Muối ăn tham gia vào việc điều chỉnh độ chứa nước của cơ thể (cân bằng lỏng). Muối được dùng làm chất bảo quản thực phẩm (ướp cá, thịt để tránh bị ươn …). Ngoài ra, muối ăn còn được dùng trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa chất. Giới thiệu sơ lược về quá trình và thiết bị cô đặc 1.3.1 Giới thiệu chung về quá trình cô đặc Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi. Quá trình cô đặc có thể tiến hành bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh. Đối với sản phẩm thực phẩm, cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng phương pháp nhiệt (đun sôi). Do đó, ở đây chỉ đề cập đến phương pháp nhiệt. Khi cô đặc bằng phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất mặt thoáng chất lỏng (tức là khi dung dịch sôi), sau đó dung môi lỏng sẽ bay hơi ra khỏi dung dịch. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ. Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì gọi là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc áp suất dư) thì dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi. Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt). Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau. Quá trình cô đặc thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa, cà chua, ớt …làm tăng chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, cô đặc còn có tác dụng bảo quản, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật. 1.3.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau là dễ dàng và tiêu biểu nhất: Các thiết bị cô đặc được chia làm 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên. + Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài. + Loại 2: Có buồng đốt ngoài. - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) + Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài. + Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài. - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng. + Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. + Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH Cân bằng vật liệu 2.1.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ ) Gọi : Gđ , Gc , W lần lượt là lưu lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối và tổng lượng hơi thứ (kg/h). xđ, xc là nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu và trong sản phẩm cuối (% khối lượng). Chọn căn bản tính là 1 giờ. Cân bằng vật chất tổng quát: Gđ = Gc + W Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc Ta có: xđ = 8% = 0,08 xc = 26% = 0,26 Gc = 1200 ( Gđ =
.Gc =
.1200 = 3900 kg/h ( W = Gđ – Gc = 3900 – 1200 = 2700 kg/h 2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi Gọi W1, W2, W3 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h) Ta có: W1 + W2 + W3 = 2700 kg/h Giả sử tỷ lệ lượng hơi thứ của từng nồi W1:W2:W3 = 1,1:1,05:1, sau khi tính toán thực tế ta sẽ tìm được W1, W2 và W3 và so sánh với W1, W2, W3 theo giả thuyết ban đầu. Nếu sai số giữa lượng hơi thứ thực tế và lượng hơi thứ lý thuyết < 5% là được. ( W1 = 942,86 kg/h W2 = 900 kg/h W3 = 857,14 kg/h 2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi G1: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h) x1 : nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng) - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1: Cân bằng vật chất tổng quát: G1 = Gđ – W1 = 3900 – 942,86 = 2957,14 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: Gđ.xđ = G1.x1 ( x1 =
.xđ =
. 0,08 = 0,1055 = 10,55% - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 (x2): Cân bằng vật chất tổng quát: G2 = G1 – W2 = 2957,14 – 900 = 2057,14 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: G1.x1 = G2.x2 ( x2 =
.x1 =
. 0,1055 = 0,1517 = 15,17% - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 3 (x3): G3 = Gc = 1200 kg/h Nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 3 chính là nồng độ sản phẩm cuối. x3= xc = 26% Nồng độ trung bình nồi 1:
Nồng độ trung bình nồi 2:
Nồng độ trung bình nồi 3:
2.2 Cân bằng nhiệt lượng 2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi + Chọn áp suất hơi đốt Phđ1 = 1,461 atm ứng với nhiệt độ hơi đốt Thđ1 = 110 oC + Áp suất trong thiết bị ngưng tụ Png = 0,1258 atm ứng với nhiệt độ Tng = 50 oC Dựa vào các dữ kiện trên và [B – 39] – II -7 ta xác định được áp suất của hơi đốt và nhiệt độ của hơi thứ. Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất hơi của mỗi nồi Loại  Nồi 1  Nồi 2  Nồi 3  Tháp ngưng tụ    P (at)  T (0C)  P (at)  T (0C)  P (at)  T (0C)  P (at)  T (0C)   Hơi đốt  1,461  110  0,9817  98,5  0,5425  83,1  0,1258  50   Hơi thứ  1,016  99,5  0,5709  84,1  0,1258  51     Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 oC (do tổn thất nhiệt trên đường ống), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1 oC. 2.2.2 Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ 2.2.2.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ nâng cao (Δ’) Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisencô:Δ’ = Δ0’.f , oC - Với: f =16,2.
[AII – 59] – (VI.10) Trong đó: Δo’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường ( Δo’ có thể được tra từ [AII – 60] theo nồng độ cuối và ứng với nhiệt độ hơi thứ). f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác với áp suất thường. r :ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, ( J/kg ). [B-39] Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc ( bằng nhiệt độ hơi thứ) , K. Dựa vào các dữ kiện trên và sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất tập 2, ta xác định được tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao. Bảng 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao Đại lượng  xtb (%)  Tht (0C)  (’o (0C )  f  (’ (0C)  Σ(’   Nồi 1  9,23  99,5  1,75  0,997  1,74  1,383   Nồi 2  12,86  84,1  2,62  0,9  2,36    Nồi 3  20,59  51  5,06  0,716  3,62    ((’o tra từ sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất tập 2) 2.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, Δ’’ Áp suất hơi thứ dung dịch thay đổi theo chiều sâu của dung dịch: Ở trên bề mặt dung dịch thì bằng áp suất hơi trong buồng bốc, còn ở đáy thì bằng áp suất trên bề mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong tính toán ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch. Ta có công thức tính áp suất trung bình của dung dịch như sau: Ptb = P’ + ΔP , N/m2 ΔP = (h1 +
).ρs.g, N/m2 [AII – 60] – (VI.12) ρs =
, kg/m3 Với: P’: áp suất hơi trên bề mặt dung dịch ( bằng áp suất hơi thứ) , N/m2. ΔP : áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống , N/m2 h1 : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m h2 : chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt, m ρs : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3 g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 Nếu biết được áp suất thủy tĩnh ta sẽ tính được áp suất trung bình (Ptb) ở từng nồi. - Nồi 1: Ptb1 = Pht1 + ΔP1 , N/m2 - Nồi 2: Ptb2 = Pht2 + ΔP2 , N/m2 - Nồi 2: Ptb3 = Pht3 + ΔP2 , N/m2 Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh ở các nồi bằng hiệu số giữa nhiệt độ trung bình (Ttb) và nhiệt độ của dung dịch trên mặt thoáng (Tmt). - Nồi 1: Δ1’’ = Ttb1 – Tmt - Nồi 1: Δ2’’ = Ttb2 – Tmt - Nồi 1: Δ3’’ = Ttb3 – Tmt - Cả 2 nồi: Σ(’’= (’’1 + (’’2 + (’’3 Chọn chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch ở nồi 1,nồi 2 và nồi 3 bằng nhau: h1= 0,75 m Chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt: h2= 0,5 m. Khối lượng riêng được tra dựa vào nồng độ trung bình và ứng với nhiệt độ hơi thứ từ sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất tập 1 [AII – 45] – (II - 57). Bảng 3. Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh Đại lượng  xtb (%)  Tmt (0C)   (kg/m3)  s (kg/m3)  (P (N/m2)  Ptb (atm)  Ttb (0C)  (’’ (0C)  Σ(’’ (0C)   Nồi 1  9,23  99,5  1022,51  511,26  5010,35  1,0654  100,81  1,31  9,87   Nồi 2  12,86  84,1  1058,56  529,28  5186,94  0,6221  86,28  2,18    Nồi 3  20,59  51  1136,41  568,2  5568,36  0,1808  57,38  6,38    (Nhiệt độ trung bình Ttb tra [B – 39] – (II - 7) dựa vào áp suất trung bình Ptb) 2.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn, Δ’’’ Thường chấp nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi kia, từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là: Δ’’’ = 1 ÷ 1,5 oC [AII – 67] Chọn Δ1’’’ = Δ2’’’ = 1oC 2.2.2.4 Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc, ΣΔ Bảng 4. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc Nồi  ' (0C)  '' (0C)  ''' (0C)   1  0,285  1,47  1   2  1,099  6,19  1     1,383  7,6567  2   2.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch. Nhiệt độ sôi - Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1: Ts1 = Tht1 + Δ’1 + Δ’’1 = 103,55 oC - Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2: Ts2 = Tht2 + Δ’2 + Δ’’2 = 89,64 oC - Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2: Ts2 = Tht2 + Δ’2 + Δ’’2 = 62 oC Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi: Δthi = Thđ – Ts , (oC) [AII – 67] – (VI.17) Thđ: nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi. Ts: nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi. - Đối với nồi 1: Δthi1 = Thđ1 – Ts1 = 110 – 103,55 = 6,45 oC - Đối với nồi 2: Δthi2 = Thđ2 – Ts2 = 98,5 – 89,64 = 8,86 oC - Đối với nồi 3: Δthi3 = Thđ3 – Ts3 = 83,1 – 62 = 21,1 oC Vậy tổng số nhiệt độ hữu ích: ∑∆thi = 6,45 + 8,86 + 21,1 = 36,41 oC 2.2.4 Xác định nhiệt dung riêng dung dịch Giá trị nhiệt dung riêng của dung dịch muối được tra dựa vào nồng độ dung dịch từ ( Ta có : Tđ , Ts1 ,Ts2 : nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, ra khỏi nồi 3, ( oC ). xđ , xtb1 , xtb2, xtb3: nồng độ dung dịch ban đầu, nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 , ( % ). Bảng 5: Nhiệt dung riêng của dung dịch muối Dung dịch  x (%)  Ts (0C)  Nhiệt dung riêng (J/kg.độ)   Vào nồi 1  8  103,55  3786,6   Ra khỏi nồi 1  10,55  103,55  3672,3   Ra khỏi nồi 2  15,17  89,64  3516   Ra khỏi nồi 3  26  62  3196,4   2.2.5 Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi Giả thiết: Không lấy hơi phụ (toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2).Không có tổn thất nhiệt ra môi trường. Bỏ qua nhiệt cô đặc (hay nhiệt khử nước). Chọn nhiệt độ tham chiếu là 0 oC. Phương trình cân bằng năng lượng: - Nồi 1: D( iđ – Cn1θ1 ) = G1C1Ts1 – GđCđTđ + W1i1 (a) - Nồi 2: W1( i1 – Cn2θ2 ) = G2C2Ts2 – G1C1Ts1 + W2i2 (b) - Nồi 3: W2( i2 – Cn3θ3 ) = G3C3Ts3 – G2C2Ts2 + W3i3 (c) Trong đó: D : khối lượng hơi đốt cho hệ thống trong 1 giờ, kg/h W1, W2 : khối lượng hơi thứ nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h Gđ, G1, G2, G3 : khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, ra kjỏi nồi 3 trong 1 giờ, kg/h Cđ, C1, C2, C3: nhiệt dung riêng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏi nồi 3, J/kg.độ Tđ, Ts1, Ts2, Ts3: nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏi nồi 3, 0C iđ, i1, i2, i3: enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2, hơi thứ nồi 3, J/kg Cn1, Cn2, Cn3: nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nồi 2 và nồi 3, J/kg.độ θ1, θ2, θ3: nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (bằng nhiệt độ hơi đốt của nồi 1, 2 và 3; nhiệt độ hơi đốt nồi 3 là nhiệt độ hơi thứ nồi 2, nhiệt độ hơi đốt nồi 2 là nhiệt độ hơi thứ nồi 1), oC Ta có: W = W1 + W2 + W3 = 2700 kg/h (c) Bảng 6. Các thông số về năng lượng  G, kg/h  x (%)  C, J/kg.độ  Ts,dd , oC  Thơi , oC  i, J/kg  θ, oC  Cn, J/kg.độ   Nhập liệu (đ)  3900  8  3786,6  105  110  2248000     Ra khỏi nồi 1  2957,14  10,55  3672,3  103,55  99,5  2281000  110  4230,89   Ra khỏi nồi 2  2057,14  15,17  3516  89,64  84,1  2370000  98,5  4216,92   Ra khỏi nồi 3  1200  26  3196,4  62  51   83,1  4201,59   Ghi chú: - Cn được tra từ ( dựa vào nhiệt độ hơi đốt. - i = r do hơi đốt là hơi nước bão hòa và tra từ [B – 39] - (II-7) theo nhiệt độ dung dịch tương ứng. - Ts,dd là nhiệt độ của dung dịch tương ứng, 0C. Thay các số liệu trong bảng 6 vào 2 phương trình cân bằng năng lượng (a), (b) và (c) ở trên. Giải hệ phương trình (a), (b) và (c) ta được:
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là: W1 = 912,84 kg/h
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là: W2 = 904,86 kg/h
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 3 là: W3 = 882,3 kg/h
Lượng hơi thứ tiêu tốn chung là: D = 972,75 kg/h 2.2.6 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi Công thức so sánh:
< 5% thì chấp nhận Trong đó: WL: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị lớn Wn: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị nhỏ Nồi 1:
= 3,18% < 5% Nồi 2:
= 0,54% < 5% Nồi 2:
= 2,85% < 5% Vậy giả thiết ban đầu được chấp nhận. Tính bề mặt truyền nhiệt 2.3.1 Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp Q = D.r, W [B – 115] D : lượng hơi đốt cho mỗi nồi, kg/h r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt mỗi nồi, J/kg Bảng 7. Lượng nhiệt do hơi cung cấp Nồi  D (kg/h)  Thđ (0C)  r, (J/kg)  Q, (W)   1  972,75  110  2234000  603645,4   2  912,84  98,5  2263900  592928   3  904,86  83,1  2301940  575485   (Nhiệt độ hơi đốt nồi 3 là nhiệt độ hơi thứ nồi 2, nhiệt độ hơi đốt nồi 2 là nhiệt độ hơi thứ nồi 1 ) 2.3.2 Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi K =
, W/m2.độ [B – 116] – (III.17) qtb : nhiệt tải riêng trung bình, W/m2 Δthi : hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết, 0C 2.3.2.1 Nhiệt tải riêng trung bình qtb =
, W/m2 [B – 116] q: nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt, W/m2 q1: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m2 q2: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2 tbh: nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt, oC Ts: nhiệt độ sôi dung dịch, oC tw1, tw2: nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, oC Δt1 = tbh – tw1, oC Δt2 = tw2 – Ts, oC Σr: tổng nhiệt trở của thành ống đốt, m2.độ/W α1, α2: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, W/m2.độ Ta có: q =
(tw1 – tw2) q1 = α1.Δt1 q2 = α2.Δt2 Theo lý thuyết q = q1 = q2 Do chưa có các giá trị hiệu số nhiệt độ ta phải giả sử Δt1 để tính nhiệt tải riêng, sau đó kiểm tra lại bằng cách so sánh q1 và q2. Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn 5% thì chấp nhận giả thiết. 2.3.2.2 Tổng nhiệt trở của thành ống đốt Σr Σr = r1 +
+ r2 , m2.độ/W [AII – 3] r1: nhiệt trở trung bình của hơi nước (có lẫn dầu nhờn) r1 = 0,232.10-3 m2.độ/W [AII – 4] r2: nhiệt trở trung bình lớp cặn bẩn r2 = 0,387.10-3 m2.độ/W δ: chiều dày thành ống đốt, m λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt bằng thép 304, tra bảng [AII – 313] – (VII.7) ta được: λ = 50 W/m.độ Chọn : δ = 2,108 mm = 2,108.10-3 m Đường kính ngoài: dng = 101,6 mm = 101,6.10-3 m
Đường kính trong: dtr = dng – 2.δ = 97,384.10-3 m ( Vậy: Σr = r1 +
+ r2 Σr = 0,232.10-3 +
+ 0,387.10-3 = 0,000661 m2.độ/W 2.3.2.3 Hệ số cấp nhiệt α1, α2 a. α1 : hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2.độ Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng) trong ống ngang, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:
W/m2.K r : ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg ρ : khối lượng riêng nước ngưng, kg/m3 g = 9,81 m/s2 : độ nhớt của nước ngưng, Pa.s λ : hệ số dẫn nhiệt nước ngưng, W/m.K d: đường kính ngoài của ống, m tđ, tT1: nhđộ hơi đốt, nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ (bằng tw1), oC Bảng 8. Nhiệt tải riêng q1 phía hơi ngưng Nồi  thđ, 0C  Δt1, 0C  tw1, 0C  d, m  r, J/kg  ρ, kg/m3  Pa.s  λ, W/m.K  α1, W/m2.độ  q1, W/m2   1  110  0,128  109,872  0,1016  2234000  951  0,259  0,000684  26671,78  3413,99   2  98,5  0,248  98,252  0,1016  2263900  959,42  0,287  0,0006817  22149,13  5492,98   3  83,1  1,174  81,926  0,1016  2301940  969,82  0,34  0,0006769  14454,47  16969,54   Δt1 tự chọn, sau đó kiểm tra lại với thực tế, nếu tỉ lệ sai số < 5% thì chấp nhận. r= i, tra theo nhiệt đô hơi đốt từ [AII – 39] – (II - 7) b. α2 : hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m2.độ α2 được tính theo công thức:
[AII – 71] – (VI.27) Trong đó: Chỉ số dd biểu thị cho dung dịch, chỉ số n biểu thị cho nước. λ: hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ ρ: khối lượng riêng, kg/m3 C: nhiệt dung riêng, J/kg.độ μ: độ nhớt động lực, m.Pa.s Hệ số cấp nhiệt của nước khi sôi sủi bọt, đối lưu tự nhiên, áp suất 0,2 ÷ 100 atm được tính theo công thức:
, W/m2.độ [B – 44] Δt2 = tw2 – tdds , oC p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (bằng áp suất hơi thứ), atm Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λdd được tính theo công thức: λdd = (326,775 + 1,0412T – 0,00331T2).(0,796 + 0,009346. %H2O).10-3 T: nhiệt độ sôi dung dịch, K Do qw = q1
Δtw = tw1 - tw2 = qw.Σr = q1.Σr Từ Δtw ta suy ra được Δt2 và tính được αn: Bảng 9. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi Nồi  P, atm  Δtw, 0C  tw2, 0C  Δt2, 0C  αn, W/m2.độ   1  1,016  2,2566  107,62  4,0654  1198,79   2  0,5709  3,6309  94,62  4,9811  1442,63   3  0,1258  11,217  70,71  8,7091  2489,32   Từ αn ta tính được α2: Bảng 10. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi  λ, W/m.độ  ρ, kg/m3  C, J/kg.độ 
m.Pas  α2, W/m2.độ  q2, W/m2  So sánh với q1   Nồi 1  dd  0,40721  1019,93  3672,3  0,3028  853,16  3468,4  1,57%    Nước  0,6827  955,77  4224,62  0,2738      Nồi 2  dd  0,43911  1054,98  3516  0,3238  1107,66  5517,42  0,44%    Nước  0,6799  965,54  4263,32  0,3162      Nồi 3  dd  0,49631  1117,98  3196,4  0,5457  1949,71  16980,28  0,06%    Nước  0,6606  982,12  4183  0,4556      Ta tính được hệ số truyền nhiệt K và bề mặt truyền nhiệt F với: F = F: bề mặt truyền nhiệt, m2 Q: lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp, W K: hệ số truyền nhiệt , W/m2.độ Δthi: nhiệt độ hữu ích, oC Thực tế nhiệt lượng bị mất ra môi trường xung quanh một lượng đáng kể do: mất nhiệt trên đường ống dẫn, tỏa ra môi trường xung quanh ổ buồng bốc và buồng đốt, quá trình truyền nhiệt không đảm bảo như trong lý thuyết đã tính toán. Do vậy người ta thường tăng khoảng 10% diện tích bề mặt truyền nhiệt để bù vào lượng mất mát đó. Ftt = F + 10%.F Bảng 11. Bề mặt truyền nhiệt Nồi  Q, W  K, W/m2.độ  Δthi tính, 0C  F, m2  Ftt, m2   1  603645,42  427,37  6,45  218,99  240,89   2  592927,99  483,76  8,86  138.34  152,17   3  575485  592,57  21,1  46,03  50,63   Kích thước buồng đốt 2.4.1 Số ống truyền nhiệt
, ống F: bề mặt truyền nhiệt thực tế, m2 d: đường kính ống truyền nhiệt, m, ở đây α1>α2 nên chọn đường kính trong (dtr = 97,384 mm = 97,384.10-3 m) l: chiều dài ống truyền nhiệt, m Tổng số ống truyền nhiệt:
542,78 ống Số ống truyền nhiệt của từng nồi: Nồi 1:
211 ống Nồi 2:
139 ống Nồi 3:
59 ống 2.4.2 Đường kính trong buồng đốt Chọn đường kính trong buồng đốt là 2 m. Kích thước buồng bốc Đường kính buồng bốc: Đường kính trong buồng bốc bằng đường kính trong buồng đốt. Vkgh: thể tích không gian hơi, m3
, m3 [AII – 71] – (VI.32) W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích hơi nước bốc hơi trên 1 đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trong 1 đơn vị thời gian), m3/m3.h Ở áp suất thường Utt = 1600÷1700 m3/m3.h , áp suất hơi thứ có ảnh hưởng đáng kể đến Utt. Tuy nhiên không có số liệu hiệu chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 1 atm nên có thể chọn Utt = 1700 m3/m3.h. (h: khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3 Hkgh: chiều cao không gian hơi, m
, m [AII – 72] – (VI.34) Bảng 12. Kích thước buồng bốc Nồi  Nhiệt độ hơi thứ, 0C  Áp suất hơi thứ, atm  h , kg/m3  Utt , m3/m3.h  W, kg/h  V, m3  Dbb, m  Hkgh, m   1  99,5  1,016  0,588  1700  912,84  0,914  3  0,29   2  84,1  0,5709  0,342  1700  904,86  1,555  2,8  0,45   3  51  0,1258  0,087  1700  882,3  5,948  2  1,89   Do dung dịch chiếm h1 = 0,45 m chiều cao buồng bốc nên tổng chiều cao tối thiểu buồng bốc là: Hbb1 = Hkgh1 + h1 = 0,29 + 0,45 = 0,74 m Hbb2 = Hkgh2 + h1 = 0,45 + 0,45 = 0,9 m Hbb3 = Hkgh3 + h1 = 1,89 + 0,45 = 2,34 m Do đó chọn chiều cao buồng bốc nồi 1 và 2 là 1,8 m, chiều cao buồng bốc nồi 3 là 2,5 m. Đường kính các ống dẫn Đường kính trong các ống dẫn và cửa ra vào thiết bị được xác định theo công thức:
, m [AII – 74] – (VI.42) VS: lưu lượng khí (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m3/s (: tốc độ thích hợp của (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống, m/s 2.6.1 Đối với dung dịch và nước ngưng VS =
, m3/s G: khối luợng dung dịch, nước ngưng đi trong ống, kg/s (: khối lượng riêng dung dịch, nước ngưng ở nhiệt độ tương ứng, kg/m3 ( trong khoảng 0,5÷1 m/s 2.6.2 Đối với hơi bão hòa VS = G.v”, m3/s G: khối lượng hơi đi trong ống, kg/s v”: thể tích riêng của hơi ở nhiệt độ tương ứng, m3/kg ( trong khoảng 20÷40 m/s Bảng 13. Kích thước các ống dẫn  G, kg/h  dd, kg/m3  v"hơi, m3/kg  VS, m3/s  , m/s  d, m  d chuẩn, mm  Bề dày, mm   Ống nhập liệu  1,083  1013,4   0,001069  0,5  0,0522  73  3,05   Ống tháo sản phẩm  Nồi 1  0,821  1029,356   0,000798  0,5  0,0451  60,3  3,92    Nồi 2  0,571  1072,019   0,000533  0,5  0,0369  42,2  3,56    Nồi 3  0,333  1185,59   0,000281  20  0,0268  33,4  3,38   Ống dẫn hơi đốt  0,27   1,212  0,327493  20  0,1444  168,3  3,41   Ống dẫn hơi thứ  Nồi 1  0,262   1,706  0,44681  20  0,1687  219,1  3,76    Nồi 2  0.25   2,937  0,73419  20  0,2162  273,1  4,2    Nồi 3  0,238   11,561  2,75261  0,5  0,4187  457,2  9,53   Ống nước Ngưng  Nồi 1  0,27  951   0,000284  0,5  0,0269  60,3  3,92    Nồi 2  0,261  959,42   0,000273  0,5  0,0264  33,4  3,38    Nồi 3  0,25  969,82   0,000258  0,5  0,0256  33,4  3,38   dchuẩn tra từ: ( Tổng kết thiết bị chính Bảng 14. Bảng tóm tắt thiết bị chính THÔNG SỐ  NỒI 1  NỒI 2  NỒI 3   Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất làm việc (oC)  103,55  89,64  62   Nhiệt độ hơi đốt (oC)  110  98,5  83,1   Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình Q (W)  603645,42  592927,99  575485   Lượng hơi đốt cần thiết (kg/h)  972,75  912,83  904,86   Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ (W/m2.độ)  26671,78  22149,13  14454,47   Hệ số cấp nhiệt (W/m2.độ)  853,16  1107,66  1949,71   Hệ số truyền nhiệt K  533,52  621,35  804,5   Bề mặt truyền nhiệt F (m2)  193  118,47  37,29   Số ống truyền nhiệt (ống)  211  139  59   Chiều dài ống truyền nhiệt (m)  3,1  2,9  2,1   Chiều dày thành ống truyền nhiệt (mm)  2,108  2,108  2,108   Đường kính buồng đốt (mm)  3000  2900  2000   Đường kính buồng bốc (mm)  3000  2900  2000   Chiều cao buồng bốc (mm)  1800  1800  2500   CHƯƠNG 3. THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ
, kg/s [AII – 84] – (VI.51) Gn: lượng nước lạnh cần thiềt để ngưng tụ, kg/s W: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s i: hàm nhiệt của hơi ngưng, J/kg t2đ, t2c: nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, oC Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ Ở đây W = W3 = 882,3 kg/h = 0,245 kg/s Chọn t2đ = 30 oC, t2c = 40 oC , nhiệt độ trung bình = (30+40)/2= 35 oC
Cn(35 oC) = 4180 J/kg.độ ( i (50 oC) = 2380000 J/kg (
12,97 kg/s Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ Baromet Vk =
, m3/s , Với
= 1,25 kg/m3 [B – 122] Mà: Gk = 25.10-6(W + Gn) + 0,01W Gk = 25.10-6.(0,245 + 12,97) + 0,01.0,245 = 2,78.10-3 kg/s ( Vk =
=
= 0,037 m3/s 3.2.1 Đường kính trong
, m [AII – 84] – (VI.52) W: lượng hơi ngưng tụ, W = 0,245 kg/s (h: khối lượng riêng của hơi ngưng tụ ở 53,34 oC: (h = 0,083 kg/m3 (h: tốc độ của hơi đi trong thiết bị ngưng tụ, m/s . Nếu thiết bị ngưng tụ làm việc với áp suất khoảng 0,1 ÷ 0,2 at chọn (h trong khoảng 55 ÷ 35 m/s, nếu từ 0,2 ÷ 0,4 chọn 35 ÷ 15 m/s. Ở đây áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ là 0,1258 atm nên ta chọn (h = 35 m/s. (
0,4 m Dựa vào dãy đường kính chuẩn của thiết bị ngưng tụ [AII – 88] – (VI.8) Chọn: Dba = 0,5 m = 500 mm. 3.2.2 Kích thước tấm ngăn - Tấm ngăn có dạng hình viên phân, để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn b có thể được xác định như sau:
, mm [AII – 85] – (VI.53) Dba: đường kính trong thiết bị ngưng tụ, Dba = 500 mm (
300 mm - Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ: Nếu nước làm nguội là nước sạch nên lấy đường kính các lỗ bằng 2 mm, nếu nước bẩn là 5mm. Chọn đường kính lỗ 2 mm - Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên 1 cặp tấm ngăn là:
, m2 [AII – 85] – (VI.54) Với: Gn: lưu lượng nước, m3/s Ở nhiệt độ trung bình 35 0C, khối lượng riêng của nước là 994 kg/m3 Gn = 12,97 kg/s =
m3/s (c: tốc độ của tia nước, m/s . Tốc độ tia nước khi chiều cao gờ của tấm ngăn là 40 mm thì (c = 0,62 m/s [AII – 85] Ở đây ta chọn (c = 0,62 m/s (
0,021 m2 - Chọn chiều dày tấm ngăn ( = 4 mm [AII – 85] - Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước của các lỗ được xác định theo công thức:
, mm [AII – 85] – (VI.55) d: đường kính của lỗ, d = 3 mm (đã chọn ở trên)
: tỉ số giữa tổng diện tích tiết diện các lỗ với diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ, thường lấy
0,025 ÷ 0,1. Ở đây ta chọn
= 0,03 (
0,45 mm 3.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ Mức độ đun nóng được xác định theo công thức:
[AII –85] – (VI.56) Dựa vào mức độ đun nóng với đường kính lỗ 2 mm, tra bảng [AII –86] - (VI.7) ta có: - Số ngăn: 6 - Số bậc: 3 - Khoảng cách trung bình giữa các ngăn: 400 mm Tra bảng [AII –88] – (VI.8) với đường kính trong Dba = 500 mm ta có những kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet như sau: Bảng 15. Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet Các thành phần của thiết bị ngưng tụ  Kích thước   Chiều dày thành thiết bị  S = 5 mm   Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị  a = 1300 mm   Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy  P = 1200 mm   Bề rộng của tấm ngăn  b = 300 mm   Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ với thiết bị thu hồi  K1 = 675 mm   Chiều cao của hệ thống thiết bị  H = 4300 mm   Chiều rộng của hệ thống thiết bị  T = 1300 mm   Đường kính thiết bị thu hồi  D1 = 400 mm   Chiều cao thiết bị hu hồi  h = 1440 mm   Đường kính các cửa ra và vào:    Hơi vào  d1 = 300 mm   Nước vào  d2 = 100 mm   Hỗn hợp khí và hơi ra  d3 = 80 mm   Nối với ống Baromet  d4 = 125 mm   Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi  d5 = 80 mm   Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi  d6 = 50 mm   Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet  d7 = 50 mm   3.2.4 Kích thước ống Baromet 3.2.4.1 Đường kính trong
, m [AII – 86] – (VI.57) W: lượng hơi ngưng, W = 0,245 kg/s (đã tính ở trên) Gn: lượng nước lạnh tưới vào tháp, Gn = 12,97 kg/s (đã tính ở trên) (: tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s; thường lấy (
0,5 ÷ 0,6 m/s. Ta chọn ( = 0,5 m/s (
0,183 m = 183mm Chọn đường kính chuẩn của ống baromet là 219,1 mm và chiều dày là 8,18 mm ( 3.2.4.2 Chiều cao ống Baromet H = h1 + h2 + 0,5 (1) Trong đó: h1: chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số áp suất trong thiết bị ngưng tụ và khí quyển. h2: chiều cao cột nước trong ống Baromet cần thiết để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống (m) h1 =10,33
,(m) [AII – 86] – (VI.59) Với: P0: độ chân không trong thiết bị ngưng tụ, mmHg; P0 =(1- Png).760, (mmHg) ( P0 =(1 – 0,1258 ).760 = 664,392 (mmHg) ( h1 =10,33
= 10,33
= 9,03 (m) h2 =
, (m) (2) [AII – 87] – (VI.60) Với: ( : hệ số ma sát ( ( = 0,02 ÷ 0,035) (chọn ( = 0,025) Σ( = ( 1 + (2 : tổng trở lực cục bộ ( 1 : hệ số trở lực khi vào ống ( chọn ( 1 = 0,5) (2 : hệ số trở lực khi ra ống (chọn (2 = 1) ( : tốc độ của nước lạnh và nước ngưng chảy trong thiết bị ((
0,5 ÷ 0,6 m/s) ( chọn ( = 0,5) Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được: H = 9,562 (m) Vậy để ngăn ngừa nước dâng lên trong ống và chảy vào ống dẫn hơi thứ khi độ chân không tăng cao ngay cả trong trường hợp mực nước là 10,33 m chọn: Hba =11 m Chọn vật liệu làm ống là thép 304. CHƯƠNG 4. TÍNH CƠ KHÍ Chiều dày thiết bị 4.1.1 Nồi 1 4.1.1.1 Buồng đốt Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức:
, m [AII – 360] – (XIII.8) Khi
50 có thể bỏ qua p ở mẫu số. Dt: đường kính trong buồng đốt, Dt = 2 m. (: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, tra từ [AII – 362] - (XIII.8) ta được ( = (h = 0,95 C: số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m C = C1 + C2 + C3 C1: số bổ sung do ăn mòn, đối với vật liệu bền (0,05÷0,1 mm/năm) lấy C1 = 1 mm C2: số bổ sung do hao mòn, khi tính toán thiết bị hóa chất có thể bỏ qua C2 C3: số bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,6 mm [AII – 364] - (XIII.9) ( C = C1 + C2 + C3 = 1 + 0 + 0,6 = 1,6 mm p: áp suất trong thiết bị, N/m2 - Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi – lỏng, áp suất được tính như sau: p = pmt + p1, N/m2 [AII – 360] – (XIII.10) pmt: áp suất của hơi trong thiết bị, N/m2 ( pmt = 1,461 atm = 148035,83 N/m2 p1: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, được tính theo công thức: p1 = g.(1.H1, N/m2 (1: khối lượng riêng chất lỏng (ở 110 oC), (1 = 951 ( kg/m3 ) H1: chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H1 = 1,2 m g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 ( p1 = g.(1.H1 = 9,81. 951.1,2 = 11195,172 N/m2 ( p = pmt + p1 = 209345,4 + 13993,965 = 195230,997 N/m2 * Tính ứng suất cho phép [(] : Chọn vật liệu thiết kế là thép CT3 thì ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền. Lấy giá trị nhỏ nhất từ các công thức sau:
, N/m2 [AII – 355] – (XIII.1)
, N/m2 Trong đó: [(k], [(c]: ứng suất cho phép khi kéo, khi chảy, N/m2 (: hệ số điều chỉnh nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo và theo giới hạn chảy (k, (c: giới hạn bền khi kéo, giới hạn chảy, N/m2 Tra từ [AII – 356] – (XIII.2) ta được (= 0,9 Tra từ [AII – 356] – (XIII.3) ta được nk = 3,5; nc = 2,0 Tra từ [AII – 356] – (XIII.4) ta được: (k = 380.106 N/m2 ; (c = 240.106 N/m2

97,71.106 N/m2
108.106 N/m2 Chọn số nhỏ thế vào
= 582,95 > 50 nên bỏ qua p ở mẫu. (
4,17.10-3 m = 4,17 mm Chọn S = 5 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: [AII – 365] – (XIII.26)
, N/m2 Áp suất thử tính toán p0 được xác định theo công thức: p0 = pth + p1, N/m2 pth: áp suất thử thủy lực, N/m2 Tra từ [AII – 365] – (XIII.5) ta có: pth = 1,5.pmt = 1,5. 148035,83 = 222053,74 N/m2 p1: áp suất thử thủy tĩnh của cột chất lỏng, p1 = 11195,17 N/m2 ( p0 = pth + p1 = 222053,74 + 11195,17 = 233248,91 N/m2 (

Ta thấy:
Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu Đáy buồng đốt Đáy hình elip có gờ, làm việc chịu áp suất trong, bằng thép CT3.
Chiều dày đáy được tính theo công thức:
, m [AII – 385] – (XIII.47) Khi
có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số Dt: đường kính trong buồng đốt, Dt = 3 m p: áp suất trong buồng đốt, p = 148305,83 N/m2 hb: chiều cao phần lồi của đáy, tra từ [AII – 382] –(XIII.10) ứng với Dt = 3 m có hb = 0,75 m (hay hb = 0,25.Dt = 0,75 m) k: hệ số không thứ nguyên,
d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,15m (
(h : hệ số bền, (h = 0,95 [(k]: ứng suất cho phép, tính tuơng tự như trường hợp thành buồng đốt ( [(k] = 97,71.106 N/m2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10-3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S Thêm 2 mm khi S – C ( 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm > S – C > 10 mm (
= 595,69 > 30 nên bỏ qua p ở mẫu số. (
( S = 5,09 mm ( S – C = (5,09 – 1,6) = 0,45 mm < 10 mm Vậy thêm 2 mm vào C, khi đó S = 5,09 + 2 = 7,09 mm Chọn S = 8 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
, N/m2 [AII – 385] – (XIII.49) Với áp suất thử: p0 = 233248,91 N/m2 (
Vậy S = 8 mm là đạt yêu cầu 4.1.1.2 Buồng bốc Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức:
, m [AII – 360] – (XIII.8) Khi
50 có thể bỏ qua p ở mẫu số Dt: đường kính trong buồng bốc, Dt = 3 m (: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, tra bảng [AII – 362] - (XIII.8) ta được ( = (h = 0,95 C: số bổ sung tính tương tự như trên, ta có C = 1,6 mm p: áp suất trong thiết bị, N/m2 - Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi – lỏng, áp suất được tính như sau: p = pmt + p1, N/m2 [AII – 360] – (XIII.10) pmt: áp suất của hơi trong thiết bị, N/m2 ( pmt = 1.016 atm = 102946,2 N/m2 p1: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, được tính theo công thức: p1 = g.(1.H1, N/m2 (1: khối lượng riêng chất lỏng (ở 99,5 oC), (1 = 958,74 ( kg/m3 ) H1: chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H1 = 0,5 m g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 ( p1 = g.(1.H1 = 9,81.958,74.0,5 = 4702,62 N/m2 ( p = pmt + p1 =102946,2 + 4702,62 = 107648,8 N/m2 * Tính ứng suất cho phép [(] : Chọn vật liệu thiết kế là thép CT3 thì ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền. Tính tương tự như trên. Chọn số nhỏ thế vào
= 862,29 > 50 nên bỏ qua p ở mẫu. (
3,34.10-3 m = 3,34 mm Chọn S = 5 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: [AII – 365] – (XIII.26)
, N/m2 Áp suất thử tính toán p0 được xác định theo công thức: p0 = pth + p1, N/m2 pth: áp suất thử thủy lực, N/m2 Tra từ [AII – 365] – (XIII.5) ta có: pth = 1,5.pmt = 1,5. 102946,2 = 154419,3 N/m2 p1: áp suất thử thủy tĩnh của cột chất lỏng, p1 = 4702,62 N/m2 ( p0 = pth + p1 = 154419,3 + 4702,62 = 159121,92 N/m2 (

Ta thấy:
Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu Đáy buồng bốc Đáy hình elip có gờ, làm việc chịu áp suất trong, bằng thép CT3.
Chiều dày đáy được tính theo công thức:
, m [AII – 385] – (XIII.47) Khi
có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số Dt: đường kính trong buồng bốc, Dt = 3 m p: áp suất trong buồng đốt, p = 148035,825 N/m2 hb: chiều cao phần lồi của đáy, tra từ [AII – 382] –(XIII.10) ứng với Dt = 3 m có hb = 0,75 m (hay hb = 0,25.Dt = 0,75) k: hệ số không thứ nguyên,
d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,1m (
(h : hệ số bền, (h = 0,95 [(k]: ứng suất cho phép, tính tuơng tự như trường hợp thành buồng đốt ( [(k] = 97,71.106 N/m2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10-3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S Thêm 2 mm khi S – C ( 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm > S – C > 10 mm (
= 606,14 > 30 nên bỏ qua p ở mẫu số. (
S = 3,1 mm ( S – C = (3,1 – 1,6) = 1,5 mm < 10 mm Vậy thêm 2 mm vào C, khi đó S = 3,1 + 2 = 5,1 mm Chọn S = 6 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
, N/m2 [AII – 385] – (XIII.49) Với áp suất thử: p0 = 148035,83 N/m2 (
Vậy S = 6 mm là đạt yêu cầu 4.1.2 Nồi 2 4.1.2.1 Buồng đốt Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức:
, m [AII – 360] – (XIII.8) Khi
50 có thể bỏ qua p ở mẫu số Dt: đường kính trong buồng đốt, Dt = 2,8 m (: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, tra từ [AII – 362] - (XIII.8) ta được ( = (h = 0,95 C: số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m C = C1 + C2 + C3 C1: số bổ sung do ăn mòn, đối với vật liệu bền (0,05÷0,1 mm/năm) lấy C1 = 1 mm C2: số bổ sung do hao mòn, khi tính toán thiết bị hóa chất có thể bỏ qua C2 C3: số bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,6 mm [AII – 364] - (XIII.9) ( C = C1 + C2 + C3 = 1 + 0 + 0,6 = 1,6 mm p: áp suất trong thiết bị, N/m2 - Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi – lỏng, áp suất được tính như sau: p = pmt + p1, N/m2 [AII – 360] – (XIII.10) pmt: áp suất của hơi trong thiết bị, N/m2 ( pmt = 0,9817 atm = 99470,75 N/m2 p1: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, được tính theo công thức: p1 = g.(1.H1, N/m2 (1: khối lượng riêng chất lỏng (ở 110 oC), (1 = 951 ( kg/m3 ) H1: chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H1 = 1,2 m g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 ( p1 = g.(1.H1 = 9,81. 951.1,2 = 11294,25 N/m2 ( p = pmt + p1 = 99470,75 + 11294,25 = 110765 N/m2 * Tính ứng suất cho phép [(] : Chọn vật liệu thiết kế là thép 304 thì ứng suất cho phép của thép 304 theo giới hạn bền. Lấy giá trị nhỏ nhất từ các công thức sau:
, N/m2 [AII – 355] – (XIII.1)
, N/m2 Trong đó: [(k], [(c]: ứng suất cho phép khi kéo, khi chảy, N/m2 (: hệ số điều chỉnh nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo và theo giới hạn chảy (k, (c: giới hạn bền khi kéo, giới hạn chảy, N/m2 Tra từ [AII – 356] – (XIII.2) ta được (= 0,9 Tra từ [AII – 356] – (XIII.3) ta được nk = 3,5; nc = 2,0 Tra từ [AII – 356] – (XIII.4) ta được: (k = 380.106 N/m2 ; (c = 240.106 N/m2

97,71.106 N/m2
108.106 N/m2 Chọn số nhỏ thế vào
= 838,03 > 50 nên bỏ qua p ở mẫu. (
3,27.10-3 m = 3,27 mm Chọn S = 5 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: [AII – 365] – (XIII.26)
, N/m2 Áp suất thử tính toán p0 được xác định theo công thức: p0 = pth + p1, N/m2 pth: áp suất thử thủy lực, N/m2 Tra từ [AII – 365] – (XIII.5) ta có: pth = 1,5.pmt = 1,5. 99470,75 = 149206,13 N/m2 p1: áp suất thử thủy tĩnh của cột chất lỏng, p1 = 11195,17 N/m2 ( p0 = pth + p1 = 149206,13 + 11294,25 = 160500,37 N/m2 (

Ta thấy:
Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu Đáy buồng đốt Đáy hình elip có gờ, làm việc chịu áp suất trong, bằng thép CT3 Chiều dày đáy được tính theo công thức:
, m [AII – 385] – (XIII.47) Khi
có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số Dt: đường kính trong buồng đốt, Dt = 1,6 m p: áp suất trong buồng đốt, p = 148305,83 N/m2 hb: chiều cao phần lồi của đáy, tra từ [AII – 382] –(XIII.10) ứng với Dt = 2,8 m có hb = 0,7 m (hay hb = 0,25.Dt = 0,7m) k: hệ số không thứ nguyên,
d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,15m (
(h : hệ số bền, (h = 0,95 [(k]: ứng suất cho phép, tính tuơng tự như trường hợp thành buồng đốt ( [(k] = 97,71.106 N/m2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10-3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S Thêm 2 mm khi S – C ( 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm > S – C > 10 mm (
= 838,1 > 30 nên bỏ qua p ở mẫu số. (
( S = 3,27mm ( S – C = (3,27 – 1,6) = 1,67 mm < 10 mm Vậy thêm 2 mm vào C, khi đó S = 3,27 + 2 = 5,27 mm Chọn S = 6 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
, N/m2 [AII – 385] – (XIII.49) Với áp suất thử: p0 = 160500,62 N/m2 (
Vậy S = 6 mm là đạt yêu cầu 4.1.2.2 Buồng bốc Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức:
, m [AII – 360] – (XIII.8) Khi
50 có thể bỏ qua p ở mẫu số Dt: đường kính trong buồng bốc, Dt = 2 m (: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, tra bảng [AII – 362] - (XIII.8) ta được ( = (h = 0,95 C: số bổ sung tính tương tự như trên, ta có C = 1,6 mm p: áp suất trong thiết bị, N/m2 - Môi trường làm việc là hỗn hợp hơi – lỏng, áp suất được tính như sau: p = pmt + p1, N/m2 [AII – 360] – (XIII.10) pmt: áp suất của hơi trong thiết bị, N/m2 ( pmt = 57846,45 N/m2 p1: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng, được tính theo công thức: p1 = g.(1.H1, N/m2 (1: khối lượng riêng chất lỏng (ở 84,1 oC), (1 = 969,176 ( kg/m3 ) H1: chiều cao lớn nhất của cột nước ngưng, chọn H1 = 0,5 m g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 ( p1 = g.(1.H1 = 9,81.958,74.0,5 = 4753,81 N/m2 ( p = pmt + p1 = 57846,45 + 4753,81 = 62600,25 N/m2 * Tính ứng suất cho phép [(] : Chọn vật liệu thiết kế là thép 304 thì ứng suất cho phép của thép 304 theo giới hạn bền. Tính tương tự như trên. Chọn số nhỏ thế vào
= 1482,81 > 50 nên bỏ qua p ở mẫu. (
2,55.10-3 m = 2,55 mm Chọn S = 5 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: [AII – 365] – (XIII.26)
, N/m2 Áp suất thử tính toán p0 được xác định theo công thức: p0 = pth + p1, N/m2 pth: áp suất thử thủy lực, N/m2 Tra từ [AII – 365] – (XIII.5) ta có: pth = 1,5.pmt = 1,5.62600,25 = 86769,66 N/m2 p1: áp suất thử thủy tĩnh của cột chất lỏng, p1 = 4753,81 N/m2 ( p0 = pth + p1 = 86769,66 + 4753,81 = 91523,48 N/m2 (

Ta thấy:
Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu Đáy buồng bốc Đáy hình elip có gờ, làm việc chịu áp suất trong, bằng thép CT3 Chiều dày đáy được tính theo công thức:
, m [AII – 385] – (XIII.47) Khi
có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số Dt: đường kính trong buồng bốc, Dt = 2 m p: áp suất trong buồng đốt, p = 99470,75 N/m2 hb: chiều cao phần lồi của đáy, tra từ [AII – 382] –(XIII.10) ứng với Dt = 2,8 m có hb = 0,7 m (hay hb = 0,25.Dt = 0,7) k: hệ số không thứ nguyên,
d: đường kính của lỗ lớn nhất trên đáy, cửa ra sản phẩm, chọn d = 0,1m (
(h : hệ số bền, (h = 0,95 [(k]: ứng suất cho phép, tính tuơng tự như trường hợp thành buồng đốt ( [(k] = 97,71.106 N/m2 C: số bổ sung, tính tương tự, C = 1,6.10-3 m, có tăng thêm sau khi tính thử S Thêm 2 mm khi S – C ( 10 mm Thêm 1 mm khi 20 mm > S – C > 10 mm (
= 902,1 > 30 nên bỏ qua p ở mẫu số. (
S = 2,41 mm ( S – C = (2,05 – 1,6) = 0,81 mm < 10 mm Vậy thêm 2 mm vào C, khi đó S = 2,41 + 2 = 4,41 mm Chọn S = 5 mm * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
, N/m2 [AII – 385] – (XIII.49) Với áp suất thử: p0 = 91523,48 N/m2 (
Vậy S = 5 mm là đạt yêu cầu 4.1.3 Nồi 3 4.1.3.1 Buồng đốt Chiều dày của thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong Tính tượng tự như nồi 1:
, m [AII – 360] – (XIII.8)