Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm 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 LỚP : DHHO2A 0605213 Thành phố Hồ Chí Minh – 4/2009 Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Mục Lục Lời Mở Đầu Trang NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trang PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 1.1 Định nghĩa Trang 1.2 Các phương pháp cô đặc Trang 1.3 Cô đặc nồi có ống tuần hoàn trung tâm Trang Thuyết minh sơ đồ công nghệ Trang 11 Dung dịch cô đặc CaCl2 Trang 12 3.1 Giới thiệu dung dịch CaCl2 Trang 12 3.2 Ứng dụng dung dịch CaCl2 Trang 12 PHẦN 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Trang 14 PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ Trang 15 Cân vật chất Trang 15 1.1 Phương trình cân vật chất trình cô đặc Trang 15 1.2 Tổn thất nhiệt độ hệ Trang 16 1.2.1 Tổn thất nồng độ Trang 16 1.2.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh Trang 16 1.2.3 Tổn thất trở lực đường ống Trang 18 1.2.4 Tổn thất nhiệt độ cho hệ thống Trang 19 1.3 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích nồi 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 Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm 1.4.3 Phương trình cân nhiệt lượng Trang 20 1.5 Hệ số cấp nhiệt Trang 21 1.5.1 Hệ số cấp nhiệt α1, phía 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 đốt cung cấp Trang 27 1.7 Bề mặt truyền nhiệt Trang 27 Thiết kế Trang 27 2.1 Buồng đốt 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 Trang 33 2.2.1 Kích thước không gian bốc Trang 34 2.2.2 Thể tích không gian 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 ống dẫn cửa vào thiết bị Trang 40 2.4 Đường kính ống dẫn đốt Trang 40 2.5 Đường kính ống dẫn dung dịch Trang 40 2.6 Đường kính ống dẫn thứ Trang 41 2.7 Đường kính ống tháo nước ngưng Trang 41 Tính toán thiết kế bình ngưng tụ kiểu ống đứng Trang 42 3.1 Các thông số thiết bị ngưng tụ Trang 42 3.2 Tính bề dày thiết bị ngưng tụ Trang 46 Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm 3.3 Đường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ Trang 48 3.4 Đường kính ống tháo nước khỏi thiết bị ngưng tụ Trang 48 3.5 Đường kính ống dẫn thứ vào thiết bị ngưng tụ Trang 48 Bề dày lớp cách nhiệt Trang 49 4.1 Bề dày lớp cách nhiệt ống Trang 49 4.2 Bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn đốt Trang 49 4.3 Cách nhiệt cho buồng đốt Trang 50 4.4 Cách nhiệt cho buồng bốc Trang 51 Tính vỉ ống Trang 51 Chọn mặt bích Trang 52 Chọn tai treo Trang 54 7.1 Tai treo cho thiết bị Trang 54 7.2 Thể tích 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 phận thiết bị Trang 55 7.4 Tổng khối lượng thiết bị Trang 56 Vị trí đặt bồn cao vị Trang 56 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 Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm 10 Tính giá thành thiết bị Trang 63 Kết Luận Trang 64 Tài Liệu Tham Khảo Trang 65 Lời Mở Đầu  Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trong công nghiệp hóa chất dầu khí vấn đề thiết kế chế tạo thiết bị phục vụ cho lĩnh vực công nghiệp hóa học yêu cầu cần thiết sinh viên đào tạo chuyên khối kỹ thuật hóa học Từ cách chọn lựa vật liệu, đến quan hệ phụ thuộc kích thước chi tiết thiết bị với tính chất vật liệu; phép tính toán công nghệ để kiểm tra độ bền chi tiết phương pháp thiết kế… Tất nhằm mục đích tìm điều kiện tối ưu thích hợp để tạo sản phẩm có chất lượng cao, có hiệu kinh tế trình chế biến sản xuất Ngày phát triển công nghiệp hóa chất thực phẩm ngày mạnh Vì nhu cầu sử dụng loại hợp chất tinh khiết có nồng độ theo ý muốn thiếu Như trình làm muối ăn công nghiệp, trình cô đặc đường để tạo độ thích hợp quy trình sản xuất xút NaOH, KOH… Ứng dụng ngành công nghiệp mỹ phẩm, tổng hợp hợp chất hữu vô cơ… Để tạo sản phẩm mong muốn vấn đề công nghệ yếu tố then chốt định đến chất lượng sản phẩm Từ khâu nhập nguyên liệu đến hàng loạt khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu… Tất phải tính toán cách chi tiết để hạn chế rủi ro xảy trình vận hành Nắm bắt nhu cầu cần thiết trình chế biến hóa học, để tiếp cận với trình tính toán công nghệ học từ môn như: thủy cơ, truyền nhiệt, truyền khối Đề tài tính toán thiết kế hệ thống cô đặc nồi, đóng góp phần nhỏ để giúp sinh viên khối kỹ thuật hóa học hình dung cách rõ ràng chi tiết thiết bị sử dụng lĩnh vực hóa chất, thực phẩm dầu khí Từ công đoạn chọn vật liệu chế tạo đến phần tính toán thiết bị phụ như: buồng đốt, buồng bốc, hệ thống ngưng tụ… Cụ thể phần tính toán chi tiết trình bày phần nội dung công nghệ Nhóm Thực Hiện Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm CÔ ĐẶC 1.1 Định nghĩa Cô đặc trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan dung dịch việc đun sôi Đặc điểm trình dung môi tách khỏi dung dịch dạng hơi, chất hòa tan giữ lại dung dịch Do đó, nồng độ dung dịch tăng lên Khác với trình chưng cất, trình chưng cất cấu tử hỗn hợp bay khác nồng độ hỗn hợp Hơi dung môi tách trình cô đặc gọi thứ, thứ nhiệt độ cao dùng để đun nóng thiết bị khác, dùng thứ đun nóng thiết bị hệ thống cô đặc ta gọi phụ Truyền nhiệt trình cô đặc trực tiếp gián tiếp, truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, truyền nhiệt gián tiếp thường dùng nước bão hòa để đốt nóng Trong công nghệ hóa chất thực phẩm, cô đặc đóng vai trò quan trọng Nó ứng dụng với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể ( kết tinh ) - Thu dung môi dạng nguyên chất Cô đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư ) thiết bị cô đặc nồi hay nhiều nồi trình gián đoạn hay liên tục 1.2 Các phương pháp cô đặc Quá trình cô đặc tiến hành thiết bị nồi nhiều nồi làm việc gián đoạn liên tục Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị lần cô đặc đến nồng độ Trang http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm yêu cầu, cho vào liên tục trình bốc để giữ mức dung dịch không đổi đến nồng độ dung dịch thiết bị đạt yêu cầu lấy lần sau lại cho dung dịch để tiếp tục cô đặc Khi cô đặc liên tục hệ thống nồi nhiều nồi dung dịch đốt cho vào liên tục, sản phẩm lấy liên tục Quá trình cô đặc thực áp suất khác tùy theo yêu cầu kỹ thuật, làm việc áp suất thường (áp suất khí quyển) dùng thiết bị hở; làm việc áp suất khác dùng thiết bị kín cô đặc chân không (áp suất thấp) có ưu điểm là: áp suất giảm nhiệt độ sôi dung dịch giảm, hiệu số nhiệt độ đốt dung dịch tăng, nghĩa giảm bề mặt truyền nhiệt Cô đặc chân không dùng đốt áp suất thấp, điều có lợi ta dùng thải trình sản xuất khác Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc dung dịch nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) sinh phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …) Mặt khác nhiệt độ sôi dung dịch thấp tổn thất nhiệt môi trường xung quanh nhỏ cô đặc áp suất thường Cô đặc áp suất dư thường dùng cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao dung dịch muối vô cơ, để sử dụng thứ cho cô đặc cho trình đun nóng khác Cô đặc áp suất khí thứ không sử dụng mà thải không khí Phương pháp đơn giản không kinh tế 1.3 Cô đặc nồi có ống tuần hoàn trung tâm Nguyên lý hoặt động hệ thống cô đặc nồi tóm tắt sau: Phần thiết bị phòng đốt gồm có ống truyền nhiệt tâm có ống tuần hoàn trung tâm có độ lớn tùy thuộc vào nồng độ dung dịch cần cô đặc Dung dịch bên Trang 10 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm chọn: tT2 = 400C, tT1 = 132,90C tra bảng (VII.1, STQTTB T2, 97), chọn nhiệt độ không khí tkk = 27,20C hệ số dẫn nhiệt vật liệu amiang có độ ẩm 50%, λc = 0,07 (W/m.độ) hệ số cấp nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt đến không khí: α n = 9,3 + 0,058tT = 9,3 + 0,058.40 = 11,62 (W/m độ) → bề dày lớp cách nhiệt: δ c = λc (tT − tT ) 0,07(132,9 − 40) = = 43,72(mm) α n (tT − t kk ) 11,62.(40 − 27,2) 4.4 Cách nhiệt cho buồng bốc bề dày lớp cách nhiệt cho buồng bốc tính giống theo công thức buồng đốt (VI.66, STQTTB T2, 92) α n (tT − t kk ) = λc (tT − t T ), (mm) δc với: tT2 = 400C, tT1 = 99,10C, tkk = 27,20C hệ số dẫn nhiệt vật liệu amiang có độ ẩm 50%, λc = 0,07 (W/m.độ) hệ số cấp nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt đến không khí: α n = 9,3 + 0,058tT = 9,3 + 0,058.40 = 11,62 (W/m độ) → bề dày lớp cách nhiệt buồng bốc: δ c = λc (tT − tT ) 0,07(99,1 − 40) = = 27,81(mm) α n (tT − t kk ) 11,62.(40 − 27,2) Tính vỉ ống Một chi tiết thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm ống vỉ ống dùng để giữ chặt hai đầu ống Theo hình dáng chia vỉ ống hình tròn, hình chữ nhật, hình vành khăn Phổ biến vỉ ống hình tròn phẳng, hình cầu hình elip Vỉ ống chủ yếu chế tạo từ phôi đúc, vật liệu làm vỉ ống phải bền cứng vật liệu làm ống Chọn cách bố trí ống vỉ ống theo hình lục giác đều, chọn vỉ có dạng hình tròn Trang 51 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Chọn cách bố trí ống vào vỉ theo phương pháp hàn Bề dày vĩ ống thép không gỉ ( thép crôm – niken – titan Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125/127/STQTTB T1) tính theo công thức (8- 51, Tính toán chi tiết thiết bị hóa chất Hồ Lê Viên, 182) h= dn + 5, (mm) Trong đó: h: bề dày vĩ ống (mm) dn: đường kính ống truyên nhiệt (dn = 24 mm) →h= dn 24 +5= + = 8(mm) 8 kiểm tra ứng suất uốn vỉ thiết bị trao đổi nhiệt tính theo công thức sau: σ tt = p d ⎞⎛ h ⎞ ⎛ 3, ⎜1 − 0, n ⎟ ⎜ ⎟ L ⎠⎝ L ⎠ ⎝ ≤ [σ K ] Sơ đồ để tính vỉ ống Trong L = t = 33 mm p áp suất tính toán lớn không gian ống N/mm2, chọn p = at = 294300 N/m2 = 0,2943 N/mm2 [σK] ứng suất cho phép vật liệu làm ống, N/mm2 Tính ứng suất kéo: [σ K ] = σK nb η , ( N / m ) (XIII.1, STQTTB T2, 355) với: giới hạn bền 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) = 190,38 (N/mm2) Trang 52 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị → σ tt = Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm 294300 = 686,92.103 ( N / m ) = 0, 68692( N / mm ) ≤ [σ K ] = 190,38 ⎛ 24.10−3 ⎞⎛ 8.10−3 ⎞ 3, ⎜1 − 0, ⎟⎜ ⎟ 33.10−3 ⎠⎝ 33.10−3 ⎠ ⎝ Chọn h = mm Chọn mặt bích Mặt bích phận quan trọng dùng để nối phần thiết bị nối phận khác với thiết bị Công nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích Phương pháp nối áp suất môi trường Chọn kiểu bích liền, kiểu (bảng XIII.27, STQTTB T2, 417) để nối nắp thân đáy buồng đốt Bích liền phận nối liền với thiết bị loại hàn Loại bích chủ yếu dung với áp suất thấp áp suất trung bình số liệu mặt bích thể bảng sau: Kích thước nối thiết bị -6 P.10 N/m2 Dt (mm) bulông D Db D1 D0 db h Z (mm) (cái) (mm) buồng 0,2943 đốt 600 740 690 650 611 M20 20 20 buồng 0,0981 bốc 600 740 690 650 611 M20 20 20 Chọn bích liền kiểu để nối phận thiết bị với ống dẫn theo bảng (XIII.26, STQTTB T2, 409) ống dẫn Hơi đốt P.10-6 N/m2 0,2943 Dy ống Kích thước ống nối (mm) Dn D Dδ D1 db z(cái) 30 38 120 90 70 M12 Trang 53 Bulông h (mm) 12 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Hơi thứ 0,0981 43 45 130 100 80 M12 12 Dung dịch 0,0981 15 18 80 55 40 M10 10 Chọn tai treo Tai treo (tai đỡ) phận dùng để giữ thiết bị vào vị trí định trình hoặt động Kích thước hình dáng tai đỡ phụ thuộc vào yếu tố như: Đặc tính tải trọng (tĩnh hay động), vào vật liệu làm thiết bị, vào trọng lượng thiết bị… Tai treo cho thiết bị: chọn tai treo làm vật liệu thép crôm – niken – titan Mã hiệu ( 1X18H9T ) gắn buồng đốt Vị trí gắn tai treo lấy 2/3 chiều cao buồng đốt 3 → vị trí gắn tai treo : htt = hbd = 80 ≈ 53(cm) 7.1 Tai treo cho thiết bị Ta có ρthép không gỉ = 7900 kg/m3 theo Bảng XII.7, STQTTB T2, 313 tải trọng tác dụng lên tai treo là: Q = G.9,81 (N ) 7.2 Thể tích phận thiết bị 7.2.1 Thể tích thép làm ống truyền nhiệt π H ⎡⎣ n ( d n2 − d t2 ) + ( Dth2 , n − Dth2 ,t ) ⎤⎦ π 0,8 ⎡⎣127.(0, 024 − 0, 020 ) + (0,1632 − 0,159 ) ⎤⎦ = 0, 0148( m ) = Vtn = với: dn, dt - đường kính ống truyền nhiệt, m Dth,n, Dth,t - đường kính ống tuần hoàn, m H - chiều cao ống truyền nhiệt, m 7.2.2 Thể tích thép làm buồng đốt Trang 54 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Vbd = π H Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm ( Dd2,n − Dd2,t ) = π 0,8 (0, 62 − 0,5922 ) ≈ 0, 006( m3 ) với: H - chiều cao buồng đốt (bằng chiều cao ống truyền nhiệt) Dd,n, Dd,t - đường kính buồng đốt 7.2.3 Thể tích thép làm buồng bốc Vbb = πH ( Dn − Dt ) = π 0,9 (0, 62 − 0,5922 ) = 6, 7.10−3 (m3 ) với: H - chiều cao buồng bốc (bằng chiều cao ống truyền nhiệt) Dd,n, Dd,t - đường kính buồng bốc 7.2.4 Khối lượng thép làm đáy nón Đáy thiết bị cô đặc có dạng hình nón có gờ, góc đáy 600 với thông số Dt = 600 mm, H = 544 mm, S = 4mm theo bảng XIII.21, STQTTB T2, 394 ta khối lượng đáy hình nón: m = 22.1,01 = 22,22 (Kg) 7.2.5 Khối lượng thép làm nắp buồng bốc Nắp thiết bị cô đặc có dạng hình elip có gờ, góc đáy 600 với thông số Dt = 600 mm, ht = 150 mm, S = 4mm theo bảng XIII.10, STQTTB T2, 384 ta khối lượng nắp hình elip: m = 14.1,01 = 14,14 (Kg) 7.2.6 Thể tích thép làm vỉ ống Thể tích thép làm vỉ ống bao gồm bích: tổng diện tích lổ: S= n.π dtrn π Dth 127.π (24.10−3 ) π (163.10−3 ) + = + = 0, 078(m ) 4 4 diện tích vỉ: S ' = π d = π 0, 62 = 0, 2826(m ) diện tích lại: ΔS = S '− S = 0, 2826 − 0, 078 = 0, 2046(m2 ) thể tích vỉ: Vvi = h.ΔS = 0, 008.0, 2046 = 1, 6368.10−3 (m3 ) 7.3 Khối lượng phận thiết bị Trang 55 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Ta có ρthép không gỉ = 7900 kg/m3 theo Bảng XII.7, STQTTB T2, 313 khối lượng ống truyền nhiệt: Gtn = Vtn ρ = 0, 0148.7900 = 116,92( Kg ) khối lượng buồng đốt: Gbd = 7900.0, 006 = 47, 4( Kg ) khối lượng buồng bốc: Gbb = 7900.6, 7.10−3 = 52,93( Kg ) khối lượng đáy hình nón: Gn = 14,14 (Kg) khối lượng nắp hình elip: Gd = 22,22 (Kg) khối lượng vỉ: Gvi = 2.(1, 6368.10−3.7900) = 25,86( Kg ) 7.4 Tổng khối lượng thiết bị khối lượng thiết bị: Gtb = Gtn + Gbd + Gbb + Gn + Gd + Gvi = 116,92 + 47, + 52,93 + 14,14 + 22, + 25,86 = 279, 45( Kg ) khối lượng dung dịch nặng có nồi cô đặc gồm dung dịch chứa ống truyền nhiệt nhiệt độ ban đầu 250C: 250C dung dịch có ρdd = 1,0996.103 (Kg/m3) Gdd = n.π dt 0, 022 h.ρ dd = 127.π 0,8.1, 0996.103 = 35, 08( Kg ) 4 tổng khối lượng: G = Gtb + Gdd = 279, 45 + 35, 08 = 314,53( Kg ) → tải trọng tác dụng lên tai treo: Q = G.9,81 314,53.9,81 = = 771,38( N ) 4 Theo bảng XIII.36, STQTTB T2, 438 ta có kích thước tai treo: tải treo bề Tải trọng Q.10-4 mặt cho phép đỡ lên bề F.104 mặt đỡ (N) (m2) L B B1 H S l a d Khối lượng mm tai q.10-6 treo Trang 56 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm N/m2 0,1 42,5 (Kg) 0,24 80 55 70 125 30 14 0,53 Vị trí đặt bồn cao vị chiều cao bồn cao vị đặt độ cao cho thắng trở lực đường ống để cấp dung dịch cho thiết bị cô đặc phương trình bernuli cho mặt cắt thùng cao vị vị trí nhập liệu nồi cô đặc: Z1 + p1 γ + ω12 2g + H = Z2 + p2 γ + ω2 2g + h1− chọn p1 = 1,5 at, p2 = 1at, ω1 = ω2 khối lượng riêng nước nhiệt độ 250C, ρ = 997,08 (Kg/m3) theo bảng (I.5, STQTTB T1, 11) độ nhớt μH2O = 0,8937.10-3 (N.s.m2)(I.102,STQTTB T1, 94) chọn chiều cao từ cửa vào để dẫn dung dịch thiết bị cô đặc: Z2 = 1,65 m Đường kính ống dẫn dung dịch vào nồi cô đặc : d = 15 mm Vận tốc dòng chảy ống: ω = Chuẩn số Reynolds: Re = hệ số ma sát: λ = 4.Gd 4.1 / 45 = = 0,126(m / s ) π d ρ π (15.10 −3 ) 997,08 ω.d td ρ 0,126.15.10 −3.997,08 = = 2108,6 < 2320 → lưu chất chảy tầng μ 0,8937.10 −3 A Re với: A - hệ số phụ thuộc vào bảng II.10, STQTTB T2, 378 → A = 64 → λ = A 64 = = 0,03 Re 2108,6 tổng hệ số tổn thất cục bộ: Σξ = ξvào+ ξkhuỷu 90+ ξvan + ξra dựa theo bảng II.16, STQTTB T1, 382, ta có: hệ số trở lực gặp đoạn cong 900 (có đoạn) → ξkhuỷu 90 = Trang 57 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm hệ số trở lực gặp van côn ống tròn (II.16, STQTTB T1, 397) → ξvan = 5,47 hệ số trở lực lưu chất vào khỏi ống có đặt lưới kim loại để ngăn cặn bẩn: theo bảng (II.16, STQTTB T1, 383) → ξvào = ξra =ξ0.a ξ0 – giá trị phụ thuộc vào tổng bề mặt lỗ lưới F0 bề mặt mặt cắt ngang ống FT chọn tỉ lệ F0 = 0,6 → ξ = 0,97 , Re = 139,45 → a= 1,153 FT → ξvào = ξra =ξ0.a =0,97.1,153 = 1,118 tổng hệ số tổn thất cục bộ: Σξ = ξvào+ ξkhuỷu 90+ ξvan + ξra =1,118.2+1+5,47=8,706 chọn chiều dài ống từ bồn cao vị đến nồi cô đặc: l = 1,5 m tổng tổn thất: h1− v2 l 0,1262 1,5 (λ + ∑ ξ ) = (0, 03 = + 8, 706) = 0, 00947(m) 2g d 2.9,81 15.10−3 chiều cao từ mặt thoáng thùng cao vị xuống đất: Z1 + p1 γ + ω12 2g + H = Z2 + → Z1 = 1, 65 + p2 γ + ω2 2g + h1− (1,5 − 1).9,81.104 + 0, 00947 = 6, 67(m) 997, 08.9,81 Chọn Z1 = 6,5 (m) Chọn bơm 9.1 Bơm dung dịch chọn bơm ly tâm với chiều cao hút bơm 0,6 (m) chiều cao đẩy bơm đến bồn cao vị 6,8 (m) công suất bơm : N= H Q.ρ g ( KW ) theo (II.189, STQTTB T1, 439) 1000.η Trong : Q – suất bơm, m3/s Trang 58 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm ρ – khối lượng riêng chất lỏng, Kg/m3 H – áp suất toàn phần bơm, m g – gia tốc trường, m/s2 η - hiệu suất chung bơm, (η = 0,72 ÷ 0,93) chọn hiệu suất chung bơm – η = 0,8 áp suất toàn phần H = Hm + H0 + Hc (m) với : Hm – áp suất tiêu tốn để thắng trở lực đường hút đẩy Hc = ( p − p1 ) – chênh lệch áp suất áp suất hai mặt thoáng ρ g H0 =Z2 – Z1 – chiều cao hình học, m chọn η = 0,8, khối lượng riêng nước nhiệt độ 250C, ρ = 997,08 (Kg/m3) theo bảng (I.5, STQTTB T2, 11) độ nhớt μH2O = 0,8937.10-3 (N.s.m2)(I.102,STQTTB T1, 94) Xem vận tốc ống hút vận tốc ống đẩy (ω1 = ω2 = 0,1 (m/s)) → bỏ qua chênh lệch vận tốc ống hút ống đẩy Lưu lượng bơm : Q = π d ω = π (25.10 −3 ) 0,1 = 4,9.10 − (m / s ) Chọn P2 = 1,5 at P1 = at chọn Z2 = 6,5 (m), Z1 = 0,6 (m) Hc = ( p2 − p1 ) (1,5 − 1).9,81.104 = = 5, 01(m) 997, 08.9,81 ρ g ⎞ω ⎛ λ.l Hm = ⎜ + ∑ ξ ⎟ , ( m) ⎠ 2g ⎝ d với : λ - hệ số trở lực ma sát dung dịch chảy ống l - chiều dài mạng ống mà dung dịch qua, m d - đường kính ống dẫn dung dịch, m ξ - trở lực cục ống dẫn ω - vận tốc dung dịch , m/s Trang 59 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm chọn dhút = dđẩy = 25 mm chuẩn số Reynolds: Re = ω.d td ρ 0,1.25.10 −3.997,08 = = 2789,19 → 2320 < Re < 4000 → lưu chất μ 0,8937.10 −3 chảy độ hệ số ma sát xác định theo công thức thực nghiệm Baraziut (II.59, STQTTB T1, 378) λ = 0,3164/Re0,25 =0,3164/2789,190,25 = 0,0435 tổng hệ số tổn thất cục bộ: Σξ = ξvào+ ξkhuỷu 90+ ξvan + ξra dựa theo bảng II.16, STQTTB T1, 382, ta có: hệ số trở lực gặp đoạn cong 900 (2 đoạn) → ξkhuỷu 90 = 1.2 = hệ số trở lực van dạng côn ống tròn (ống dạng hình tròn, θ = 300) (II.16, STQTTB T1, 398) → ξvan = 5,47 hệ số trở lực lưu chất vào khỏi ống có đặt lưới kim loại để ngăn cặn bẩn: theo bảng (II.16, STQTTB T1, 383) → ξvào = ξra =ξ0.a ξ0 – giá trị phụ thuộc vào tổng bề mặt lỗ lưới F0 bề mặt mặt cắt ngang ống FT chọn tỉ lệ F0 = 0,6 → ξ = 0,97 , Re = 139,45 → a= 1,153 FT → ξvào = ξra =ξ0.a =0,97.1,153 = 1,118 tổng hệ số tổn thất cục bộ: Σξ = ξvào+ ξkhuỷu 90+ ξvan + ξra =1,118.2+2+5,47= 9,706 2 ⎛ λ.l ⎞ ω ⎛ 0, 0435.6,8 ⎞ 0,1 9, 706 → Hm = ⎜ + ∑ξ ⎟ =⎜ + = 0, 01(m) ⎟ −3 ⎝ d ⎠ g ⎝ 25.10 ⎠ 2.9,81 Áp suất toàn phần bơm: H = Z2 – Z1 + Hm + Hc = 6,5 – 0,6 + 5,01 + 0,01 = 10,92 (m) công suất bơm : N= H Q.ρ g 10,92.4,9.10−5.977, 08.9,81 = = 6, 411.10−3 ( KW ) 1000.η 1000.0,8 Công suất động điện : N dc = N η trη dc (KW ) với: ηtr - hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,9 Trang 60 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm ηđc - hiệu suất động điện dựa theo bảng II.32, STQTTB, T1, 439 chọn hiệu suất động điện bơm li tâm ηđc = 0,9 → N dc = N ηtrηdc = 6, 411.10−3 ≈ 8.10−3 ( KW ) 0,9.0,9 thường người ta chọn động điện có công suất lớn so với công suất tính toán → Nlt =β.Ndc (với β =1,5 hệ số dự trữ công suất theo II.33, STQTTB, T1, 440) vậy: Nlt =β.Ndc = 1,5.8.10-3 = 0,012 (KW) 9.2 Bơm cung cấp nước cho thiết bị ngưng tụ gián tiếp chọn bơm ly tâm với chiều cao hút đẩy bơm công suất bơm : N= H Q.ρ g ( KW ) theo (II.189, STQTTB T1, 439) 1000.η Trong : Q – suất bơm, m3/s ρ – khối lượng riêng chất lỏng (nước), Kg/m3 H – áp suất toàn phần bơm, m g – gia tốc trường, m/s2 η - hiệu suất chung bơm, (η = 0,72 ÷ 0,93) chọn η = 0,8, khối lượng riêng nước nhiệt độ 250C, ρ = 997,08 (Kg/m3) theo bảng (I.5, STQTTB T2, 11) độ nhớt μH2O = 0,8937.10-3 (N.s.m2)(I.102,STQTTB T1, 94) lượng nước lạnh cấp cho thiết bị G = 354,6 (Kg/h) = 0,0985 (Kg/s) Năng suất bơm → Q = G ρ H 2O = 0,0985 = 9,88.10 −5 (m / s ) 997,08 Phương trình bernuli cho mặt cắt – (mặt thoáng bể nước bơm dung dịch) – (mặt thoáng thiết bị ngưng tụ, đầu vào) Z1 + p1 γ + ω12 2g + H = Z2 + p2 γ + ω2 2g + h1− Với : ω1 = ω2, p1 = at, p2 = 0,96 at Trang 61 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm chọn chiều cao từ mặt thoáng bể nước xuống đất : Z1 = 0,6 (m) chọn chiều cao từ mặt thoáng thiết bị, đầu vào ngưng tụ gián tiếp xuống đất Z2 = (m) Chọn dhút = dđẩy = đường kính cửa vào thiết bị nước = 25 mm 4.Q 4.9,88.10 −5 = = 0,2(m / s ) Vận tốc dòng chảy ống: ω = π d π (25.10 −3 ) chuẩn số Reynolds: Re = ω.d td ρ 0,2.25.10 −3.997,08 = = 5578,38 > 4000 → lưu chất chảy xoáy μ 0,8937.10 −3 chế độ chảy xoáy ta dùng công thức sau để tính hệ số ma sát ⎡⎛ 6,81 ⎞ 0,9 Δ ⎤ = −2 lg ⎢⎜ ⎟ + ⎥ (II.65, STQTTTB T1, 380) 3,7 ⎥⎦ λ ⎣⎢⎝ Re ⎠ với Δ - độ nhám tương đối xác định theo công thức: → Δ = ε d td = 0,2 = 8.10 −3 25 với: ε - độ nhám tuyệt đối theo bảng II.15, STQTTB T1, 381 → ε = 0,2 (mm) ⎡⎛ 6,81 ⎞ 0,9 8.10 −3 ⎤ ⎡⎛ 6,81 ⎞ 0,9 Δ ⎤ → = −2 lg ⎢⎜ ⎟ + ⎥ = 4,684 ⎟ + ⎥ = −2 lg ⎢⎜ 3,7 ⎥⎦ 3,7 ⎦⎥ λ ⎢⎣⎝ Re ⎠ ⎣⎢⎝ 5578,38 ⎠ → λ = 0,046 tổng hệ số tổn thất cục bộ: Σξ = ξvào+ ξkhuỷu 90+ ξvan + ξra dựa theo bảng II.16, STQTTB T1, 382, ta có: hệ số trở lực gặp đoạn cong 900 (2 đoạn cong) → ξkhuỷu 90 = 1.2 = hệ số trở lực van dạng côn ống tròn (ống dạng hình tròn, θ = 300) (II.16, STQTTB T1, 398) → ξvan = 5,47 hệ số trở lực lưu chất vào khỏi ống có đặt lưới kim loại để ngăn cặn bẩn: theo bảng (II.16, STQTTB T1, 383) → ξvào = ξra =ξ0.a ξ0 – giá trị phụ thuộc vào tổng bề mặt lỗ lưới F0 bề mặt mặt cắt ngang ống FT chọn tỉ lệ F0 = 0,6 → ξ = 0,97 , Re = 139,45 → a= 1,153 FT Trang 62 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm → ξvào = ξra =ξ0.a =0,97.1,153 = 1,118 tổng hệ số tổn thất cục bộ: Σξ = ξvào+ ξkhuỷu 90+ ξvan + ξra =1,118.2+1+5,47=9,706 chiều dài ống từ bể nước đến cửa vào thiết bị ngưng tụ gían tiếp: l = 1,5 m tổng tổn thất: h1−2 = ω2 l 0, 22 1,5 + 9, 756) = 0, 025(m) (λ + ∑ ξ ) = (0, 046 d 2g 2.9,81 25.10−3 cột áp bơm: H = ( Z − Z1 ) + γ ( p2 − p1 ) + h1− = (1 − 0, 6) + Công suất bơm: N = (0,96 − 1).9,81.104 + 0, 025 = 0, 024(m) 997, 08.9,81 H Q.ρ g 0, 024.9,88.10−5.997, 08.9,81 = = 2,9.10−5 ( KW ) 1000.η 1000.0,8 Công suất động điện : N dc = N η trη dc (KW ) với: ηtr - hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,9 ηđc - hiệu suất động điện dựa theo bảng II.32, STQTTB, T1, 439 chọn hiệu suất động điện bơm li tâm ηđc = 0,9 → N dc = N ηtrηdc = 2,9.10−5 = 3,58.10−5 ( KW ) 0,9.0,9 thường người ta chọn động điện có công suất lớn so với công suất tính toán → Nlt =β.Ndc (với β =1,5 hệ số dự trữ công suất II.33, STQTTB, T1, 440) vậy: Nlt =β.Ndc = 1,2.3,58.10-5 = 4,296.10-5 (KW) = 0,0429 (W) ≈ 0,043 (W) 10 Tính giá thành thiết bị Trang 63 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Kết Luận Qua trình tính toán công nghệ ta thấy có nhiều khó khăn phát sinh gây cản trở đến việc tối ưu hóa cho quy trình công nghệ Chẳng hạn nhiệt lượng tổn thất, tính toán kết cấu thiết bị, hệ số trở lực đường ống… Tuy nhiên, việc thực trình tính toán công nghệ đồ án dựa số liệu sách thông số có cần dựa theo chuẩn thực tế để hình thành sản phẩm Một yếu tố khác đóng phần quan trọng kinh nghiệm thực tế sản xuất Mặt khác thiết bị sau thiết kế cần bảo đảm nguyên lí hoặt động giá thành không cao, không sai biệt so với thực tế đạt hiệu mong muốn, hoặt động tốt sản xuất công nghiệp Trong trình thực nhóm gửi lời cảm ơn đến thầy cô tổ môn Máy Thiết bị, thầy hướng dẫn Th.s Võ Thanh Hưởng bảo hướng dẫn tận tình giới thiệu tài liệu tham khảo vô bổ ích để nhóm hoàn thành đồ án môn học Nhóm thực Trang 64 http://www.ebook.edu.vn Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Tài Liệu Tham Khảo [1] Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, năm 2006 [2] Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, năm 2006 [3] Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam, Quá trình thiết bị công nghệ hóa học tập 10, Trường đại học bách khoa TP HCM [4] Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam, Quá trình thiết bị công nghệ hóa học tập 5, Trường đại học bách khoa TP HCM [5] Nguyễn Bin Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập 1, Các trình thủy lực, bơm, quạt, máy nén, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội , 2004 [6] Lý Ngọc Minh, Quá trình thiết bị truyền nhiệt, Trường đại học công nghiệp TP HCM, 2006 [7] Phạm Xuân Toản, Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập – Các trình thiết bị truyền nhiệt, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội Trang 65 http://www.ebook.edu.vn