Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm

Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA CHẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI CÓ ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM SVTH : Vũ Quảng Trường. 0605213 LỚP : DHHO2A. Thành phố Hồ Chí Minh – 4/2009 Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 2 Mục Lục Lời Mở Đầu................................................................................................................. Trang 5. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................................... Trang 7. PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................. Trang 8. 1.1. Định nghĩa............................................................................................................ Trang 8. 1.2. Các phương pháp cô đặc...................................................................................... Trang 8. 1.3. Cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm........................................................ Trang 9. 2. Thuyết minh về sơ đồ công nghệ........................................................................... Trang 11. 3. Dung dịch cô đặc CaCl2......................................................................................... Trang 12. 3.1. Giới thiệu về dung dịch CaCl2 ............................................................................. Trang 12. 3.2. Ứng dụng của dung dịch CaCl2 ........................................................................... Trang 12. PHẦN 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................ Trang 14. PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ...................................................................... Trang 15. 1. Cân bằng vật chất.................................................................................................... Trang 15. 1.1. Phương trình cân bằng vật chất của quá trình cô đặc..................................... Trang 15. 1.2. Tổn thất nhiệt độ trong hệ .................................................................................... Trang 16. 1.2.1. Tổn thất do nồng độ .......................................................................................... Trang 16. 1.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh............................................................... Trang 16. 1.2.3. Tổn thất do trở lực đường ống .......................................................................... Trang 18. 1.2.4. Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống..................................................................... Trang 19. 1.3. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống ........................................... Trang 19. 1.4. Cân bằn nhiệt lượng....................................................................................... Trang 19. 1.4.1. Nhiệt dung riêng ......................................................................................... Trang 19. 1.4.2. Nhiệt lượng riêng .............................................................................................. Trang 20. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 3 1.4.3. Phương trình cân bằng nhiệt lượng................................................................... Trang 20. 1.5. Hệ số cấp nhiệt .............................................................................................. Trang 21. 1.5.1. Hệ số cấp nhiệt α1, phía hơi ngưng tụ ......................................................... Trang 22. 1.5.2. Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi ........................................... Trang 22. 1.6. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ......................................................................... Trang 27. 1.7. Bề mặt truyền nhiệt .............................................................................................. Trang 27. 2. Thiết kế chính.......................................................................................................... Trang 27. 2.1. Buồng đốt của nồi cô đặc..................................................................................... Trang 27. 2.1.1. Tính số ống truyền nhiệt ................................................................................... Trang 27. 2.1.2. Đường kính buồng đốt ...................................................................................... Trang 28. 2.1.3. Tính bề dày buồng đốt ...................................................................................... Trang 29. 2.1.4. Tính đáy buồng đốt ........................................................................................... Trang 31. 2.2. Buồng bốc hơi...................................................................................................... Trang 33. 2.2.1. Kích thước của không gian bốc hơi .................................................................. Trang 34. 2.2.2. Thể tích không gian hơi .................................................................................... Trang 35. 2.2.3. Bề dày thân buồng bốc...................................................................................... Trang 36. 2.2.4. Bề dày nắp buồng bốc....................................................................................... Trang 38. 2.3. Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị............................................. Trang 40. 2.4. Đường kính ống dẫn hơi đốt ................................................................................ Trang 40. 2.5. Đường kính ống dẫn dung dịch ........................................................................... Trang 40. 2.6. Đường kính ống dẫn hơi thứ................................................................................ Trang 41. 2.7. Đường kính ống tháo nước ngưng....................................................................... Trang 41. 3. Tính toán thiết kế bình ngưng tụ kiểu ống đứng..................................................... Trang 42. 3.1. Các thông số chính trong thiết bị ngưng tụ.......................................................... Trang 42. 3.2. Tính bề dày của thiết bị ngưng tụ ........................................................................ Trang 46. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 4 3.3. Đường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ................................................. Trang 48. 3.4. Đường kính ống tháo nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ .......................................... Trang 48. 3.5. Đường kính ống dẫn hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ ............................................. Trang 48. 4. Bề dày lớp cách nhiệt.............................................................................................. Trang 49. 4.1. Bề dày lớp cách nhiệt ống.................................................................................... Trang 49. 4.2. Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi đốt .......................................................... Trang 49. 4.3. Cách nhiệt cho buồng đốt .................................................................................... Trang 50. 4.4. Cách nhiệt cho buồng bốc.................................................................................... Trang 51. 5. Tính vỉ ống.............................................................................................................. Trang 51. 6. Chọn mặt bích ......................................................................................................... Trang 52. 7. Chọn tai treo............................................................................................................ Trang 54. 7.1. Tai treo cho thiết bị .............................................................................................. Trang 54. 7.2. Thể tích các bộ phận thiết bị ................................................................................ Trang 54. 7.2.1. Thể tích thép làm ống truyền nhiệt ................................................................... Trang 54. 7.2.2. Thể tích thép làm buồng đốt ............................................................................. Trang 54. 7.2.3. Thể tích thép làm buồng bốc............................................................................. Trang 54. 7.2.4. Khối lượng thép làm đáy nón ........................................................................... Trang 55. 7.2.5. Khối lượng thép làm nắp buồng bốc ................................................................ Trang 55. 7.2.6. Thể tích thép làm vỉ ống ................................................................................... Trang 55. 7.3. Khối lượng các bộ phận thiết bị........................................................................... Trang 55. 7.4. Tổng khối lượng của thiết bị................................................................................ Trang 56. 8. Vị trí đặt bồn cao vị................................................................................................. Trang 56. 9. Chọn bơm................................................................................................................ Trang 58. 9.1. Bơm dung dịch..................................................................................................... Trang 58. 9.2. Bơm cung cấp nước cho thiết bị ngưng tụ gián tiếp............................................ Trang 61. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 5 10. Tính giá thành của thiết bị..................................................................................... Trang 63. Kết Luận............................................................................................................... Trang 64. Tài Liệu Tham Khảo ............................................................................................ Trang 65. Lời Mở Đầu #  Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 6 Trong công nghiệp hóa chất và dầu khí vấn đề thiết kế và chế tạo các thiết bị phục vụ cho lĩnh vực công nghiệp hóa học là yêu cầu cần thiết đối với các sinh viên được đào tạo chuyên về khối kỹ thuật hóa học. Từ cách chọn lựa vật liệu, đến các quan hệ phụ thuộc giữa các kích thước của các chi tiết thiết bị với tính chất của vật liệu; các phép tính toán công nghệ để kiểm tra độ bền các chi tiết và các phương pháp thiết kế… Tất cả đều nhằm mục đích tìm được điều kiện tối ưu và thích hợp nhất để tạo ra được sản phẩm có chất lượng cao, có hiệu quả kinh tế trong các quá trình chế biến sản xuất. Ngày nay sự phát triển của công nghiệp hóa chất và thực phẩm ngày càng mạnh. Vì thế nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn là không thể thiếu. Như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệp, quá trình cô đặc đường để tạo độ ngọt thích hợp cũng như các quy trình sản xuất xút NaOH, KOH… Ứng dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, tổng hợp các hợp chất hữu cơ và vô cơ… Để tạo ra được các sản phẩm mong muốn này vấn đề công nghệ là yếu tố then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm. Từ khâu nhập nguyên liệu đến hàng loạt các khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu… Tất cả đều phải được tính toán một cách chi tiết để hạn chế rủi ro xảy ra trong quá trình vận hành. Nắm bắt được những nhu cầu cần thiết trong quá trình chế biến hóa học, cũng như để tiếp cận với quá trình tính toán công nghệ đã được học từ các môn như: thủy cơ, truyền nhiệt, truyền khối. Đề tài tính toán thiết kế hệ thống cô đặc một nồi, sẽ đóng góp một phần nhỏ để giúp các sinh viên khối kỹ thuật hóa học hình dung một cách rõ ràng và chi tiết hơn về các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực hóa chất, thực phẩm và dầu khí. Từ công đoạn chọn vật liệu chế tạo đến các phần tính toán các thiết bị chính và phụ như: buồng đốt, buồng bốc, hệ thống ngưng tụ… Cụ thể phần tính toán chi tiết sẽ được trình bày ở phần nội dung công nghệ. Nhóm Thực Hiện Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 7 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 8 ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 9 CÔ ĐẶC 1.1. Định nghĩa. Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng việc đun sôi. Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hòa tan được giữ lại trong dung dịch. Do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên. Khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể 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 nước bão hòa để đốt nóng. Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó được ứng dụng với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh ) - Thu dung môi ở dạng nguyên chất Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư ) trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. 1.2. Các phương pháp cô đặc. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 10 yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc. Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác. Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …). Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường. Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác. Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế. 1.3. Cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm. Nguyên lý hoặt động của hệ thống cô đặc một nồi có thể tóm tắt như sau: Phần dưới của thiết bị là phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và ở tâm có ống tuần hoàn trung tâm có độ lớn tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch cần cô đặc. Dung dịch đi bên Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 11 trong ống, hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Phía trên phòng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi - lỏng còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo. Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc hơi, chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào phòng đốt. Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên miệng ống. Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt. Do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc hơi, còn dung dịch có nồng độ tăng dần. Khi năng suất của thiết bị lớn, có thể thay một ống tuần hoàn trung tâm bằng một vài ống có đường kính nhỏ hơn. Muốn cho dung dịch tuần hoàn tốt thì nên cho dung dịch vào phòng đốt chiếm từ 0,4 – 0,7 chiều cao ống. Tốc độ đi trong ống tuần hoàn chọn khoảng 0,4 – 0,5 m/s. Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 15 – 20% thiết diện của tất các ống truyền nhiệt. Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm là: cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa, nhưng tốc độ tuần hoàn còn bé, nên hệ số truyền nhiệt thấp. Thiết bị loại này dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có thể có nhiều váng cặn. 2. Thuyết minh về sơ đồ công nghệ. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 12 hình 1: sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm. 1. thùng chứa dung dịch; 2. buồng đốt; 3. thiết bị cô đặc; 4.Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng; 5. thùng chứa nước; 6. thùng chứa hơi thứ ngưng; 7. bơm dung dịch; 8. bơm nước; 9. Bồn cao vị; 10. thùng chứa nước ngưng tụ; 11. ratomet (lưu lượng kế); 12. thùng chứa sản phẩm; 13. thùng tháo nước ngưng; Dung dịch đầu CaCl2 từ thùng chứa dung dịch (1) được bơm vào bồn cao vị (9), từ đây dung dịch chảy qua lưu lượng kế (11). Ở lưu lượng kế, người ta có thể điều chỉnh lưu lượng dung dịch CaCl2 đi vào buồng đốt (2). Tại đây dung dịch CaCl2 được đun nóng đến nhiệt độ sôi. Dung dịch sôi tạo hỗn hợp lỏng - hơi lên buồng bốc, một phần hơi cuốn theo dung dịch CaCl2 gặp tấm chắn ngưng tụ rồi rơi xuống. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng (4), ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài thùng chứa (5), khí không ngưng được tháo ra ngoài qua thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng. Tác dụng của thiết bị thu hồi bọt là giữ lại những hạt nước ngưng bị khí không ngưng cuốn theo, Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 13 những giọt nước này lắng lại trong thiết bị cô đặc (3) và sản phẩm được tháo ra ngoài qua thùng chứa sản phẩm (12). Sản phẩm CaCl2 sau khi ra khỏi buồng bốc có nồng độ đạt yêu cầu 40% và được đưa vào bể chứa sản phẩm (12). 3. Dung dịch cô đặc CaCl2. 3.1. Giới thiệu về dung dịch CaCl2. Công thức hóa học CaCl2. Khối lượng phân tử 110,99 là chất có tinh thể màu trắng, có tính hút ẩm mạnh. Nhiệt độ nóng chảy 772 – 7820C nhiệt độ sôi > 16000C tỷ trọng 2152 - 2512 kg/m3. Canxiclorua tan nhiều trong nước, dung dịch bão hòa sôi ở 1800C. Trong các dung dịch có nồng độ khác nhau thì nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc thay đổi. Bột Canxiclorua khan thu được khi phun sấy ở nhiệt độ cao hơn 2600C. Khi hòa tan trong nước tan rất tốt kèm theo toả nhiều nhiệt dung dịch có vị mặn đắng. 3.2. Ứng dụng của dung dịch CaCl2. Trong công nghiệp CaCl2 là chất có ứng dụng rất nhiều như: trong ngành công nghiệp dệt nó là một trong những nguyên liệu thô phụ gia hỗ trợ được dùng làm chất hút ẩm, chống sương mù, chống bụi, và chống cháy trong công nghiệp dệt. Nó cũng được dùng trong tái chế giấy nhằm tách thành phần mực in, được dùng trong các bể bơi nhằm tránh ô nhiễm. Trong phụ gia thực phẩm: Food additive: Nó được dùng trong sản xuất kem, là phụ gia đông cứng, dùng trong sản phẩm đậu, bia, nước giải khát… CaCl2 còn là chất phụ gia cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng pooclăng giúp làm tăng giá trị sản phẩm công nghiệp. Canxiclorua khan dùng cho điện phân sản xuất canxi kim loại và điều chế các hợp kim của canxi. Với tính hút ẩm lớn của canxiclorua cho phép dùng nó làm tác nhân sấy khí và các chất lỏng . Nhiệt độ đông đặc thấp của các dung dịch CaCl2 cho phép chúng làm chất tải lạnh trong các hệ thống lạnh... Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 14 Do áp suất hơi thấp của các hyđrát và các dung dịch nước Canxiclorua nên được dùng để hạn chế bụi đường xá. Canxiclorua còn dùng để diệt cỏ trên đường sắt, chất keo tụ trong hóa dược và dược phẩm và được dùng rất nhiều trong công việc khoan dầu khí. PHẦN 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ. Sơ đồ quy trình công nghệ sẽ được trình bày chi tiết trong bản vẽ A3. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 15 PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ. Các thông số và số liệu ban đầu: Dung dịch cô đặc: CaCl2 Nồng độ đầu (xđ): 10% , tđ = 250C Nồng độ cuối (xc): 40% Áp suất hơi đốt, hơi nước bão hòa (tự chọn): 3 at (132,90C) (st 1, 314) Áp suất hơi thứ : 1 at (99,10C) Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 16 Năng suất sản phẩm: 20 kg/h Áp suất buồng bốc: 1 at (99,10C) Tổn thất áp suất '''pΔ trên đường ống dẫn hơi thứ tương ứng với tổn thất nhiệt độ '''Δ Chọn (VI.14, STQTTB T2, 60) Với tht : nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pht ( áp suất hơi thứ ) của hơi thứ, 0C tnt : nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pnt trong thiết bị ngưng tụ, 0C 1. Cân bằng vật chất. 1.1 . Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi – cô đặc. Gđ = Gc + W Gđ.xđ = Gc.xc với: Gđ, Gc – lưu lượng ban đầu (vào) và cuối cùng (ra) của dung dịch, kg/s. xđ, xc - nồng độ chất tan trong dung dịch đầu và cuối, phần khối lượng. W – lương hơi thứ, kg/s. lượng hơi thứ bốc ra: Lưu lượng ban đầu của dung dịch: 1.2. Tổn thất nhiệt độ trong hệ. Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 17 1.2.1. Tổn thất do nồng độ. Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisenco Δ’ = Δo’ . f (VI .10, STQTTB T2, 59) Trong đó: Δo’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường. f : Hệ số hiệu chỉnh. với (VI.11, STQTTB T2, 59) Với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0K r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/Kg xc = 40% → Δo’ = 190C (Bảng VI.2, STQTTB T2, 61) 2 16, 2.Tf r = = 2 ht ht ( 273 + t )16,2 . r Với tht =99,1 0C → rht = 2264.103 J/kg (Bảng I.251, STQTTB T1, 314 ) → f = 0,99 Δ’ = Δo’ . f =19 . 0,99 = 18,81 0C 1.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh. Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh Δ ’’ (tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao): Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc: ghhPP ddstb ⋅++= ρ)2( 2 10 N/m 2 (VI.12, STQTTB T2, 60) Trong đó: P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, 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 ống truyền nhiệt, m Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 18 ρdds - khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3 g - gia tốc trọng trường, m/s2. Vậy ta có: Δ ’’ = ttb – t0 , độ; ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C t0 - nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất p0, 0C để tính chọn : (at) (kg/m3) (at) 40 1 119,19 1,3455.103 1,08 Tính Ptb: để tính tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất khác nhau có thể dung qui tắc Babô. Theo quy tắc Babô thì quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch loãng p với áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất p0 ở cùng nhiệt độ là không đổi và đối với dung dịch có nồng độ nhất định quan hệ đó không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 19 từ biểu thức này nếu biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng với áp suất nào đó thì cũng có thể xác định được nhiệt độ sôi ở các áp suất khác nhau. x% CaCl2 T0C P (at) 40 119,19 1 tại nhiệt độ 119,19 nước nguyên chất có p = 1,98at Theo quy tắc babô tỉ lệ trên vẫn giữ nguyên giá trị tại mọi nhiệt độ sôi của dung dịch. Do đó tại nhiệt độ t: từ đó xác định được: như vậy nhiệt độ sôi t của dung dịch CaCl2 ở áp suất 1,08 at bằng nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 2,14 là 121,46 . vậy ta có: Ctttb 0 0 27,219,11946,121'Δ' =−=−= 1.2.3. Tổn thất do trở lực đường ống. Chọn tổn thất do trở lực đường ống 1.2.4. Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống. C008,22127,281,18'''''' =++=Δ+Δ+Δ=Δ∑ 1.3. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống. tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống: Cttt nthd 08,341,989,132 =−=−=Δ tổng chênh lệch hữu ích của cả hệ thống: Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 20 Ctthi 072,1208,228,34 =−=Δ−Δ=Δ ∑ nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi: sản phẩm lấy ra ở đáy thiết bị, nhiệt độ cuối của dung dịch trong nồi: Ctt ntc 045,122127,2.281,181,98'''''2' =+++=Δ+Δ+Δ+= 1.4. Cân bằn nhiệt lượng. 1.4.1. Nhiệt dung riêng. Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau: C = 4186.(1 - x), (J/kg.độ); ( I.43, STQTTB T1, 152) Với : x – nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%) : Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186.(1 - 0,1) = 3767,4 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức sau: Cc = Cht . xc + 4186 . ( 1- xc ) , (J/kg.độ) ; (I.44, STQTTB T1, 152) Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không chứa nước) (J/kg.độ). Áp dụng công thức (I.41, STQTTB T1, 152) MCaCl2 .Cht = MCaCl2: khối lượng mol của muối CaCl2 Cht : nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học, (J/kg.độ) ni : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất. ci: nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, (J/kg nguyên tử.độ) (bảng I.141, ST 1, 152) với : CCa =26000 (J/kg nguyên tử.độ); CCl = 26000 (J/kg nguyên tử.độ) vậy : → Cc = Cht . xc + 4186 . ( 1- xc ) = 702,7.0,4 + 4186.(1 – 0,4) = 2792,68 (J/kg.độ) 1.4.2. Nhiệt lượng riêng. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 21 gọi I: nhiệt lượng riêng hơi đốt (J/kg) i: nhiệt lượng riêng hơi thứ (J/kg) Tra bảng (I.250, STQTTB T1, 312) Hơi đốt Hơi thứ T0C I.10-3 (J/kg) T0C i.10-3 (J/kg) 132,90C 2730 99,10C 2677 1.4.3. Phương trình cân bằng nhiệt lượng. Cân bằng nhiệt lượng: ∑ nhiệt vào = ∑ nhiệt ra + nhiệt lượng vào gồm có: Do dung dịch đầu: Gđ Cđ tđ ( W ) Do hơi đốt: D(1-ϕ )i’’D ( W ) Độ ẩm của hơi: θϕDc + nhiệt lượng ra gồm có: Hơi thứ mang ra : Wi’’W ( W ) Nước ngưng tụ: Dcθ Sản phẩm mang ra: (Gđ –W)Cc tc ( W ) Nhiệt cô đặc: Qcđ Nhiệt tổn thất: )'')(1( θϕεε ciDQQ DDtt −−== tỉ lệ tổn thất nhiệt: ε = 0,05 Bỏ qua nhiệt cô đặc Qcđ ( vì có giá trị tính toán nhỏ ) Độ ẩm của hơi ϕ = 0,05 Phương trình cân bằng nhiệt: cdttWccddddD QQDciWtCWGtCGiDDc ±+++−=+−+ θϕθϕ ''.)('')1( Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 22 → '' d w '' ( ) W(i ) (1 ).(1 ).( ) c c d d c c D G C t C t C tD i cε ϕ θ − + −= − − − Nhiệt hóa hơi của nước rhh chính là ''Di cθ− → ''Di cθ− = rhh = 2171.103 J/kg ( ở Phd = 3 at ) Ta có tc = 122,450C , chọn tđ = 250C vậy lượng hơi đốt phải dùng là: → )/(62,81 )10.2171).(05,01).(05,01( )45,122.68,279210.2677(60)25.4,376745,122.68,2792(80 3 3 hkgD =−− −+−= Vậy: D = 81,62 (kg/h) lượng hơi đốt tiêu tốn riêng: 3603,1 60 62,81 === W Dm (kg hơi đốt/kg hơi thứ). 1.5. Hệ số cấp nhiệt. quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn: nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1. dẫn nhiệt qua thành ống. nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2. Ta có: 21 22 11 ttt ttt ttt cT Thd Δ+Δ=Δ −=Δ −=Δ Hình 1: sơ đồ truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch qua vách Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 23 1.5.1. Hệ số cấp nhiệt α1, phía hơi ngưng tụ. Hệ số cấp nhiệt α1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số α1 đối với hơi bão hòa ngưng tụ được tính theo công thức (V.101, STQTTB T2, 28). 4 1 1 . .04,2 tH rA Δ=α , W/m2.độ Trong đó: H: chiều cao ống truyền nhiệt, m. ∆t1 = thđ – tT1: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa ) và nhiệt độ phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng, 0C. A: là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng 2 1Thd m tt t += chọn: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng ∆t1 11 ttt hdT Δ−=→ 2 1Thd m ttt +=→ → A tra bảng ( STT2/29 ) , thd =132,90C → rnước = 2171.103 (J/kg) 4 1 1 . .04,2 tH rA Δ=α , (W/m2.độ) → 111 . tq Δ= α (W/m2) 1.5.2. Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi. Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định. Δt2 = tT2 – tc mà tT2 = tT1 – q1Σr Với Σr = r1 +r2 +r3 chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, STQTTB T2, 4) → r1 = 0,464.10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ/W). Dung dịch cần cô đặc là CaCl2 theo (V.I, STQTTB T2, 4) → r2 = 0,966.10-3 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.độ/W). Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 24 chọn bề dày của ống truyền nhiệt δ = 0,002 ( m ), vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) và hệ số dẫn nhiệt tại tT1 = 129,7 0C, λ = 17,54 (W/m.độ) (I.125, STQTTB T1, 127) 4 3 10.14,154,17 002,0 −=== λ δr ( m2.độ/W). 3433 10.544,110.14,110.966,010.464,0 −−−− =++=→∑ r ( m2.độ/W). 3 1112 10.544,1 −−=−=→ ∑ TTT trqtt , ( 0C ) 45,122222 −=−=Δ→ TcT tttt , ( 0C ) Tính toán tT1 và tT2 lặp theo bảng sau : chọn ∆t1 = 30C. Cttt hdT 011 9,12939,132 =−=Δ−=→ Cttt Thdm 01 4,131 2 9,1299,132 2 =+=+=→ → A = 191,42( STT2/29 ) , thd =132,90C → rnước = 2171.103 (J/kg) 12043 3.8,0 10.2171.42,191.04,2 4 3 1 ==α (W/m2.độ) 361293.12043. 111 ==Δ= tq α (W/m2) xem quá trình truyền nhiệt là ổn định Δt2 = tT2 – tc mà tT2 = tT1 – q1Σr Với Σr = r1 +r2 +r3 chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, STQTTB T2, 4) → r1 = 0,464.10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ/W). Dung dịch cần cô đặc là CaCl2 theo (V.I, STQTTB T2, 4) → r2 = 0,966.10-3 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.độ/W). chọn bề dày của ống truyền nhiệt δ = 0,002 ( m ), vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) và hệ số dẫn nhiệt tại tT1 = 129,7 0C, λ = 17,54 (W/m.độ) (I.125, STQTTB T1, 127) Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 25 4 3 10.14,154,17 002,0 −=== λ δr ( m2.độ/W). 3433 10.544,110.14,110.966,010.464,0 −−−− =++=→∑ r ( m2.độ/W). Crqtt TT 03 112 117,7410.544,1.361299,129 =−=−=→ −∑ Cttt cT 0 22 33,4845,122117,74 −=−=−=Δ→ < 0, tiếp tục lặp lần 2. bảng lặp để xác định tT1 và tT2 : ∆t1 (0C) tT1 (0C ) tm (0C) A (0C) α1 (W/m2 .độ) q1 (W/m2) ∑ r (W/m2 .độ q1∑ r (0C) tT2 (0C) ∆tT2 (0C) 3 129,9 131,4 191,42 12043 36129 1,544. 10-3 55,783 74,117 -48,33 2,5 130,4 131,65 191,5 12609 31524 1,544. 10-3 48,672 81,728 -40,72 2 130,9 131,9 191,57 13338 26676 1,544. 10-3 41,188 89,712 -32,74 1,5 131,4 132,15 191,65 14338 21507 1,544. 10-3 33,207 98,193 -24,26 1 131,9 132,4 191,72 15874 15874 1,544. 10-3 24,51 107,39 -15,06 0,5 132,4 132,65 191,8 18885 9442,5 1,544. 10-3 14,579 117,82 -4,629 0,4 132,5 132,7 191,81 19970 7988 1,544. 10-3 12,333 120,17 -2,283 0,3 132,6 132,75 191,83 21461 6438,3 1,544. 10-3 9,9407 122,66 0,2093 Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi được tính theo công thức (VI.27, STQTTB T2, 71): Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 26 435,02 .565,0 2 ..).( ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= dd n n dd n dd n dd n C C μ μ ρ ρ λ λαα ,( kcal/m2.độ.h ). với αn là hệ số cấp nhiệt của nước được tính theo công thức (V.91, STQTTB ST2, 26) : 5,033,2 2 ..145,0 ptn Δ=α , (W/m2.độ). Trong đó : p – áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m2. ∆t2 – hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C. ==→ 5,0433,2 )10.81,9.()2093,0.(145,0nα 1,1874 (W/m2.độ). chọn nhiệt độ tính toán α2 theo nhiệt dộ cuối tc = 122,450C ta có : λn = 2,23.10-2.1,163 = 0,026 (W/m.độ). (I.129, STQTTB T1, 133). ρn = 941,4 (kg/m3) ( I.5, STQTTB T1, 11) Cn = 0,484.4,1868.10-3 = 2,0264.10-3 ( J/kg.độ ). (I.149, STQTTB T1, 168) )/.(10.2696,2 102,0.9810 2271,0)(2271,0 24 msNcPn −===μ (I.104, STQTTB T1, 96) λdd CaCl2 = 0,70132 (W/m.độ ) (I.130, STQTTB T1, 134) ρdd = 1,3348.103 ( kg/m3 ) (I.32, STQTTB T1, 38) Cdd = Cc = 2792,68 (J/kg.độ) độ nhớt của dung dịch CaCl2 được tính theo công thức Paplov (I.17, STQTTB T1, 85) constK tt ==− − 21 21 μμ μμ θθ Trong đó: tμ1, tμ2: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt tương ứng là μ1 và μ2. θμ1, θμ2: nhiệt độ của chất lỏng chuẩn có cùng giá trị độ nhớt là μ1 và μ2. Tra bảng (I.107, STQTTB T1, 100), ta có dung dịch CaCl2 10% có độ nhớt tương ứng với các nhiệt độ; tμ1 = 100C → μdd1 = 1,58.10-3 (Ns/m2) tμ2 = 200C → μdd2 = 1,27.10-3 (Ns/m2) Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 27 chọn nước làm chất lỏng chuẩn, dựa theo bảng I.102, STQTTB T1, 94: μnước = 1,58.10-3 (Ns/m2) → θμ1 = 3,750C μnước = 1,27.10-3 (Ns/m2) → θμ2 = 110C → 38,1 1175,3 2010 21 21 =− −=− − μμ μμ θθ tt Dung dịch CaCl2 40% có tc = 122,450C → μCaCl2 tại nhiệt độ này: 38,1 11 2045,122 1 =− − μθ ↔ θμ1 = 85,24 0C → μnước = 0,3345.10-3 (N.s/m2) vậy: μnước tại nhiệt độ 85,240C sẽ bằng độ nhớt của dung dịch CaCl2 tại nhiệt độ 122,450C: μCaCl2 = 0,3345.10-3 (N.s/m2). hệ số cấp nhiệt α2: 435,0 3 4 3 23565,0 2 10.3345,0 10.2696,2. 10.0264,2 68,2792. 4,941 10.3348,1. 026,0 70132,0.1874,1 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= − − −α = 4095,7 (W/m2.độ) vậy: 23,8572093,0.7,4095. 222 ==Δ= tq α (W/m2.độ) hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: 032,545 10.544,1 7,4095 1 21461 1 1 11 1 3 21 = ++ = ++ = −∑ r K αα ( W/m2.độ ) 1.6. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp. ttccwddccdD QtCiWtCtCGQ +−+−= )()( '' với: Qtt = 0,05QD Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 28 )/(10.76,46 )/(10.34,168 95,0 )45,122.68,279210.2677(60)25.4,376745,122.68,2792(80 95,0 )''()( 05,0)()( 3 6 3 '' sJ hJ tCiWtCtCGQ QtCiWtCtCGQ ccwddccd D DccwddccdD = =−+−= =−+−=↔ +−+−=→ 1.7. Bề mặt truyền nhiệt. bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức: (4.25, QTTBCNHH tập 10, 185) 2. Thiết kế chính. 2.1. Buồng đốt của nồi cô đặc. 2.1.1. Tính số ống truyền nhiệt. số ống truyền nhiệt được tính theo công thức: Hd F f Fn n ..π== Trong đó: F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, đã được tính từ phần công nghệ, m2 dn - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m. H - chiều cao của một ống truyền nhiệt, m. chọn ống truyền nhiệt có kích thước: 20 x 2 (mm) và chiều cao: 80 ( cm ) → 74,111 8,0.10.24. 74,6 3 == −πn (ống) chọn theo tiêu chuẩn (V.11, STQTTB T2, 48) 127=→ tn (ống), chọn cách sắp xếp ống theo hình sáu cạnh. → số ống xuyên tâm của hình sáu cạnh là 13 và số hình sáu cạnh là 6 → bề mặt truyền nhiệt thực: Ft = nt.H.π.dn= 127.0,8.π.24.10-3 = 7,66 (m2) )(74,6 72,12.032,545 10.76,46 . 2 3 m tK QF hi D ==Δ= Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 29 → tổng diện tích cắt ngang của ống gia nhiệt: )(057,0 4 )10.24.(.127 4 . . 2 232 mdnF n === −ππ Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 20% thiết diện của tất cả các ống truyền nhiệt → Fđl = 0,2.F = 0,2. 0,057 = 0,0114 (m2) → )(120)(12,00114,0.4.4 mmmFd dldl ==== ππ chọn đường kính ống tuần hoàn theo tiêu chuẩn (QTTB T5, 155) → dđl = 159 (mm) Giá trị bước ống t = β.dn = ( 1.3 – 1.5 ). dn. chọn β = 1,4 → t = 1,4.24.10-3 = 0,0336 (m) = 33,6 (mm) chọn giá trị t = 33 (mm)(khi thực hiện trên bản vẽ kĩ thuật) khi lắp ống tuần hoàn trung tâm vào cùng trong mạng ống truyền nhiệt, cần phải bỏ đi một số hình lục giác. Vì khoảng cách bước ống t = 33 (mm) → 8,4' == t dn dl , chọn n’ = 4. Vậy cần phải bỏ đi hai hình lục giác tính từ vị trí trung tâm. số ống truyền nhiệt cần phải lắp thêm vào chính bằng số ống trên hình lục giác đã bỏ đi, cụ thể sẽ là 19 (ống) (chi tiết được thể hiện trong bản vẽ kĩ thuật). 2.1.2. Đường kính buồng đốt. đường kính trong của buồng đốt của thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm. ( khi xếp ống theo hình lục giác đều ) được tính theo (5.10,QTTB T5, 155) công thức: 2 2 ).2( . sin..4 tdtnD dlt ++= ψπ α Trong đó: t = β.dn – là bước ống, thường lấy β = 1,3 – 1,5, t - bước ống, m. dđl - đường kính ngoài của ống đối lưu, m n - số ống truyền nhiệt. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 30 ψ - hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường dao động trong khoảng 0,7 – 0,9. sin α = sin 600 do xếp theo hình lục giác đều, ba ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau tạo thành một tam giác đều, có góc đỉnh α = 600. )(498)(498,0)0336,0.2159,0( 8,0. 60sin)0336,0.(127.4 22 mmmDt ==++=→ π Chọn theo đường kính buồng đốt theo tiêu chuẩn (QTTB T5, 156) → Dt = 600 (mm) 2.1.3. Tính bề dày buồng đốt. chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125/127/STQTTB T1) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn: bề dày buồng đốt hình trụ được tính theo công thức: (XIII.8, STQTTB T2, 360) [ ] )(,2 . mC P PDS t ++= ϕσ (1) Trong đó : Dt - đường kính trong của thiết bị, m φ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m P – áp suất bên trong của thiết bị, N/m2 [σ] - ứng suất cho phép, N/m2 hệ số bổ sung do ăn mòn được xác định theo công thức sau: (XIII.17, STQTTB T2, 363) C = C1 + C2 + C3 , m C1 - bổ sung do ăn mòn, xem vật liệu chế tạo thiết bị tương đối bền chọn C1 = 1 (mm/năm) đại lượng bổ sung do hao mòn C2 chỉ tính đến trong các trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị. vậy trong trường hợp đang xét là dung dịch CaCl2 có C2 = 0. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 31 C3 - đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu theo (XIII.9, STQTTB T2, 364) ta có: C3 = 0,4 (mm) đối với thép cán loại dày 4 (mm) vậy: C = 1 + 0,4 =1,4 (mm) tính ứng suất kéo: [ ] )/(,. 2mN nb K K ησσ = (XIII.1, STQTTB T2, 355) với: giới hạn bền khi kéo σK = 550.106 (N/m2) (XII.4, STQTTB T2, 309) hệ số an toàn theo giới han bền kéo nb = 2,6 (XIII.3, STQTTB T2, 356) hệ số điều chỉnh η = 0,9 (XIII.2, STQTTB T2, 356) → [σK] = 190,38.106 (N/m2) Tính ứng suất chảy: [ ] )/(,. 2mN nC C C ησσ = với: giới hạn khi chảy σC = 220.106 (N/m2) (XII.4, STQTTB T2, 309) hệ số an toàn theo giới hạn khi chảy nC = 1,5 (XIII.3, STQTTB T2, 356) hệ số điều chỉnh η = 0,9 (XIII.2, STQTTB T2, 356) → [σC] = 132.106 (N/m2) chọn giá trị bé hơn [σC] = 132.106 (N/m2) để tính bề dày thân hình trụ : áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1 với: P1 - áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρgH tại Pmt = Phđ = 3 (at) → ρ = 1,618 (Kg/m3) (I.251, STQTTB T1, 315) → P = 3.9,81.104 +1,618.9,81.0,8 = 294,3.103 (N/m2) chọn hệ số bền của thành theo phương dọc – φ = 0,9 (XIII.8, STQTTB T2, 362) Vì: [ ] 5067,403 10.3,294 9,0.10.132 3 6 >==ϕσ P C nên có thể bỏ qua P ở mẫu số của công thức (1) vậy chiều dày của thân là: [ ] )(10.14,210.4,19,0.10.132.2 10.3,294.6,0 2 . 33 6 3 mCPDS t −− =+=+= ϕσ Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 32 lấy S = 4 (mm) kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi H2O: (XIII.26, STQTTB T2, 365) [ ] )/(, 2,1)(2 )( 20 mN CS PCSD Ct σ ϕσ ≤− −+= với áp suất thử tính toán P0 được xác định theo công thức P0 = Pth + P1, (N/m2) Pth – áp suất thủy lực theo (XIII.5, STQTTB T2, 358) Ta có: )/(2943,0 10 10.81,9.3 2 6 4 mNPhd == → Pth = 1,5.P = 1,5.294,3.103 = 441,45.103 (N/m2) P1 – áp suất thủy tĩnh của nước P1 = ρgH = 1,618.9,81.0,8 = 12,7 (N/m2) → P0 = Pth + P1 = 441,45.103 + 12,7 = 441,4627.103 (N/m2) vậy: [ ] [ ] )/(10.84,56 9,0).10.4,110.4.(2 10.4627,441.)10.4,110.4(6,0 )(2 )( 26 33 333 0 mN CS PCSDt =− −+=− −+= −− −− ϕσ )/(,10.33,183 2,1 10.220 2,1 10.84,56 26 6 6 mNc ==≤=→ σσ vậy chọn S = 4 (mm) 2.1.4. Tính đáy buồng đốt. chọn đáy trong thiết bị cô đặc một nồi có dạng hình nón, đáy nón có gờ, làm bằng thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125, STQTTB T1, 127), góc đáy bằng 600 (XIII.21, STQTTB T2, 394). đường kính trong của đáy là 0,6 m, dựa vào Dt tra các thông số của đáy theo bảng (XIII.21, STQTTB T2, 394): Dt (mm) H (mm) chiều cao hình nón d(mm) đường kính lỗ ở tâm đáy với S = 4 Rδ (mm) h (mm) chiều cao gờ Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 33 mm 600 544 49,5 90 22 yếu tố hình dạng khi α = 300 và 15,0 600 90 == tD Rδ , là y = 0,98 (theo đồ thị XIII.15, STQTTB T2, 400). Xác định chiều dày đáy theo các công thức (XIII.52 và XIII.53, STQTTB T2, 399) và lấy kết quả tính toán của công thức nào cho giá trị lớn hơn: [ ] [ ]( ) )(,..cos.2 '. )(, ..2 .. mC P PDS mCyPDS hu t +−= += ϕσα ϕσ Trong đó: y - yếu tố hình dạng D’ - đường kính đối với đáy có gờ, mm (theo hình XIII.16, STQTTB T2, 400). [σu] - ứng suất cho phép của vật liệu khi uốn, N/m2. Tính ứng suất [σu] = [σ] theo bảng (XII.6, STQTTB T2, 312) với [σu] phụ thuộc vào nhiệt độ tường tT2 = 122,660C → [σu] = [σ] = 126,43.106 (N/m2). Các đại lượng P, φh, φ, C tính toán như với thân hình trụ chịu áp suất trong. từ kết quả tính toán trên buồng đốt ta có: C = 1,4 (mm), φh = 0,9. áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1 với: P1 – áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρddsgH tại Pmt = P0 + ρdds.g.H’(at) với : H’ - chiều cao ống truyền nhiệt → P = 9,81.104 + 1,3348.103.9,81.0,8+ 1,3348.103.9,81.0,544 = 115,69.103 (N/m2) Vậy : [ ] )(10.69,110.4,19,0.10.43,126.2 98,0.10.69,115.6,0 ..2 .. 33 6 3 mCyPDS hu t −− =+=+= ϕσ Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 34 lấy S = 2 mm Tính D’: [ ] [ ] )(56,030sin10.2.10)30cos1(09,0.26,0sin10)cos1(2' 3 mSRDD t =+−−=+−−= −ααδ Xét biểu thức: [ ] [ ] )(31,010.5,49)30cos1(09,0.26,0.5,0)cos1(25,0 3 mdRDt =+−−=+−− −αδ → D’ = 0,56 > 0,31. Tính bề dày S theo công thức : [ ]( ) )2)((,..cos.2 '. mC P PDS +−= ϕσα Xét [ ] 5055,9839,0. 10.69,115 10.43,126. 3 6 >==ϕσ P → có thể bỏ qua đại lượng P trong công thức (2) vậy: )(10.77,110.4,1 9,0.10.43,126.30cos.2 10.69,115.56,0 33 6 3 mS −− =+= chọn theo tiêu chuẩn (XIII.21, STQTTB T2, 394) S = 4 (mm) kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng công thức : ( ) )/(10.45,21810.69,115)10.4,110.4.(30cos.2 10.69,115.10.41. .cos2 '. 233 33 33 mNP CS PD =⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−= −− − ϕασ Xét : )/(10.45,21810.33,183 2,1 10.220 2,1 236 6 mNc =≥== σσ 2.2. Buồng bốc hơi. 2.2.1. Kích thước của không gian bốc hơi. kích thước của không gian bốc hơi phải đủ lớn để vận tốc hơi thứ trong đó không lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bị cuốn theo. vận tốc lắng của các hạt lỏng được tính theo công thức sau (5.14, QTTBTN T5, 157) )/(, ..3 ).(4 sm dg h hlhl l ρξ ρρω −= Trong đó : ρl, ρh – là khối lượng riêng của chất lỏng và hơi thứ, Kg/m3 dhl - đường kính của hạt lỏng, m ξ - hệ số trở lực, phụ thuộc vào chế độ làm việc ( phụ thuộc vào Re) Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 35 h hlh v d. Re ω= Khi Re < 500 thì 6,0Re 5,18=ξ Khi Re = 500 ÷ 150000 thì ξ = 0,44 với : ωh - vận tốc của hơi thứ trong buồng hơi, vận tốc này phải chọn nhỏ hơn vận tốc lắng wl, m/s vh - độ nhớt động học của hơi thứ, m2/s ta có : nhiệt độ buồng bốc tại áp suất 1at là 99,10C → ρl = 959,01(Kg/m3) theo (I.5, STQTTB T1, 11), ρh = 0,579 (Kg/m3) theo (I.251, STQTTB T1, 314) độ nhớt động lực học của hơi thứ tại nhiệt độ 99,10C, μh = 123,92.10-7 (N.s/m2) (I.121, STQTTB T1, 121). )/(10.14,2 579,0 10.92,123 257 sm h h h − − ===→ ρ μν chọn ωh = 1(m/s) , dhl = 0,0002 m. Tiến hành tính với điều kiện ωh < ωl 50034,9 10.14,2 0002,0.1.Re 5 <=== − h hlh v dω thì 84,4 34,9 5,18 Re 5,18 6,06,0 ===ξ