MỤC LỤC TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ đồ án .1 1.2 Giới thiệu nguyên liệu .1 1.3 Khái quát cô đặc 1.3.1 Định nghĩa 1.3.2 Các phương pháp cô đặc 1.3.3 Ứng dụng cô đặc 1.3.4 Hệ thống cô đặc chân không liên tục 1.4 Lựa chọn thiết bị cô đặc THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Dữ kiện ban đầu 3.2 Cân vật chất .6 3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc) .6 3.2.2Tổng lượng thứ bốc lên (W) 3.2.3 Tổn thất nhiệt độ 3.3 Cân lượng 3.3.1Cân nhiệt lượng 3.3.2 Phương trình cân nhiệt .8 THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 10 4.1 Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị đặc 10 4.1.1 Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ .10 4.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sơi 10 4.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường 11 4.1.4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho q trình đặc 12 4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt .12 4.2 Tính kích thước thiết bị đặc .13 4.2.1 Tính kích thước buồng đốt 13 4.2.2 Tính kích thước buồng bốc 14 4.2.2.3 Tính kích thước ống dẫn 15 TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC .17 5.1.2 Tính tốn 17 5.2 Tính cho buồng bốc 18 5.2.1 Sơ lược cấu tạo 18 5.2.2 Tính toán 18 5.3 Tính cho đáy thiết bị 20 5.3.1 Sơ lược cấu tạo 20 5.3.2 Tính toán 20 5.4 Tính cho nắp thiết bị 23 5.4.1 Sơ lược cấu tạo 23 5.4.2 Tính toán 23 5.5 Tính mặt bích .24 5.5.1 Sơ lược cấu tạo 24 5.5.2 Chọn mặt bích 25 5.6 Tính vỉ ống 26 5.6.1 Sơ lược cấu tạo 26 5.6.2 Tính tốn 26 5.7 Khối lượng tai treo .28 5.7.1 Buồng đốt 28 5.7.2.Buồng bốc 29 5.7.3 Phần hình nón cụt buồng bốc buồng đốt .29 5.7.4 Đáy nón .29 5.7.5 Nắp ellipse 29 5.7.6 Ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm 30 5.7.7 Mặt bích .30 5.7.8 Bu lông ren 31 5.7.9 Đai ốc 31 5.7.10 Vỉ ống 32 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 35 6.1 Thiết bị ngưng tụ baromet .35 6.2 Bồn cao vị .41 6.3 Bơm hút chân không 43 6.6 Các thiết bị phụ khác .44 6.6.1 Lớp cách nhiệt 44 6.6.2 Kính quan sát .44 KẾT LUẬN .45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .46 TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ đồ án Thiết kế hệ thống cô đặc nồi liên tục để cô đặc dung dịch mạch nha suất 0,5 m 3/h Năng suất nhập liệu: 0,5 m3/h Nồng độ đầu: 12% Nồng độ cuối: 35% Áp suất ngưng tụ: Pck= 0,5at 1.2 Giới thiệu nguyên liệu Mạch nha (tên khoa học maltum) sản phẩm làm từ mầm ngũ cốc (lúa mì, lúa mạch, đại mạch, yến mạch…) cho nảy mầm điều kiện kiểm sốt khơng giống cách nảy mầm tự ngồi thiên nhiên sấy khơ đạt độ mầm định Đó hạt lúa mạch nảy mầm dùng để chế rượu, bia Thành Phần đường mạch nha đường maltose, gồm phân tử gluco nối với Thành phần chủ yếu nguyên liệu tinh bột Tinh bột đại phân tử gồm hàng triệu, triệu phân tử gluco hợp lại với Trong lúc đó, mạch nha đường maltose Maltose phân tử nối với Vì vậy, muốn biến tinh bột thành đường mạch nha người ta thực việc cắt mạch tinh bột thành cặp gồm phân tử glucô với (bằng phương pháp lên men) Ở Việt Nam ta chưa có lúa mạch, dùng hạt thóc tẻ (thóc chiêm hay thóc mùa được) họ để ngâm cho nẩy mầm phơi khô gọi cốc nha Mới ta có nhập giống lúa mạch trồng để chế bia chưa đủ dùng Muốn có thóc nẩy mầm, cần đãi thóc đất cát, ngâm nước cho ẩm, sau ủ kín, tưới nước để giữ ẩm đều, sau vài ngày hạt thóc nảy mầm, số mầm bắt đầu xanh lấy phơi nắng cho khơ, để ngun tán nhỏ, sảy hết trấu mà dùng Mạch nha sản phẩm ăn vừa ngon, vừa bổ nguyên liệu thiếu công nghiệp sản xuất bánh mứt kẹo bia Đường mạch nha có tác dụng làm cho kẹo tăng độ dai, nhiều tơ, không bị lại đường, không bị chảy nhão hút ẩm nguyên liệu bổ sung quan trọng giúp nhà sản xuất bia hạ giá thành mà sản phẩm đảm bảo chất lượng tốt Ngoài ra, đường mạch nha ngun liệu cho nhiều ngành cơng nghiệp khác Đây ăn bổ nhờ có nhiều sinh tố, hợp tì vị, người yếu dày 1.3 Khái quát cô đặc 1.3.1 Định nghĩa Cô đặc phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ cấu tử dd hai hay nhiều cấu tử Q trình cô đặc dd lỏng- rắn hay dd lỏng- lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sơi cao thường tiến hành cách tách phần dung mơi Tùy theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay q trình đó) ta tách phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay phương pháp làm lạnh kết tinh 1.3.2 Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt: tác dụng nhiệt đun nóng, dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái áp suất riêng phần áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống dd (khi dd sơi) Để đặ dd không chịu nhiệt độ cao (như dd đường) đòi hỏi phải đặc nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằn mặt thống thấp, hay thường chân khơng (p < 1ata) Đó phương pháp đặ chân khơng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt đến mức độ u cầu cấu tử tách dạng tinh thể tinh khiết- thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất cấu tử, điều kiện áp suất bên tác dụng lên dd mà trình kết tinh xảy nhiệt đọ cao hay thấp có phải dung đến máy lạnh 1.3.3 Ứng dụng cô đặc Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây,… Trong sản xuất hố chất, ta cần cô đặc dung dịch NaOH, NaNO 3, muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà máy.Cùng với phát triển nhà máy, việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Nó đòi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an toàn hiệu suất cao Do đó, yêu cầu đượcđặt cho người kỹ sư phải có kiến thức chắn đa dạng hơn, chủ động khám phá nguyên lý thiết bị cô đặc 1.3.4 Hệ thống đặc chân khơng liên tục Mục đích: để giữ chất lượng sản phẩm thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin…) nhờ nhiệt độ thấp không tiếp xúc oxy  Ưu điểm: - Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bơm độ chân không thiết bị - Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác dễ dàng, quy trình dừng khẩn cấp đơn giản - Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm - Nhiệt độ sôi dung dịch giảm nên giảm chi phí lượng, chi phí cách nhiệt  Nhược điểm: Năng suất thấp tốc độ tuần hồn nhỏ ống tuần hồn bị đốt nóng Nhiệt độ thứ thấp, khơng dùng cho mục đích khác Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân khơng  Các thiết bị chi tiết cô đặc chân khơng Thiết bị - Ống tuần hồn, ống truyền nhiệt - Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, … - Ống: đốt, tháo nước ngưng, khí khơng ngưng, … Thiết bị phụ - Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu - Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không - Thiết bị gia nhiệt - Thiết bị ngưng tụ Baromet - Các loại van, thiết bị đo, …  Yêu cầu thiết bị vấn đề lượng - Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm Cường độ truyền nhiệt cao giới hạn chênh lệch nhiệt độ Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm bề mặt truyền nhiệt Xả liên tục ổn định nước ngưng tụ khí khơng ngưng Tổn thất lượng nhỏ Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng 1.4 Lựa chọn thiết bị đặc Dựa vào phân tích trên: dung dịch mạch nha cô đặc qua hệ thống 1nồi làm việc liên tục, có buồng đốt ống tuần hồn trung tâm Thiết bị đặc dạng đơn giản dễ vệ sinh sửa chữa Có thể đạt nồng độ cuối theo yêu cầu (35%) Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, vận tốc tuần hoàn bị giảm ống tuần hồn bị đun nóng hệ số truyền nhiệt thấp THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ Bản vẽ đính kèm 2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ Nguyên liệu ban đầu dung dịch mạch nha có nồng độ 12% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ bố trí theo đỉnh hình tam giác đều.Nguồn nhiệt nước bão hồ có áp suất at bên ngồi ống (phía vỏ) Dung dịch từ lên bên ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ bề mặt ống cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau gia nhiệt chảy vào thiết bị đặc để thực q trình bốc Hơi nướcngưng tụ thành nước lỏng theo ống dẫn nước qua bẫy ngồi Nguyên lý làm việc nồi cô đặc: Phần thiết bị buồng đốt, gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch ống đốt (hơi nước bão hồ) khoảng khơng gian ngồi ống Hơi đốt ngưng tụ bên ống truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động ống Dung dịch ống theo chiều từ lên nhận nhiệt đốt ngưng tụ cung cấp để sơi, làm hố phần dung môi Dung dịch đưa vào đáy buồng bốc chảy vào ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm, đốt đưa vào buồng đốt Dung dịch đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng ống truyền nhiệt, khối lượng riêng dung dịch giảm chuyển động từ lên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt lượng tạo Vì khối lượng riêng hỗn hợp lỏng lớn ống truyền nhiệt Do đó, chất lỏng di chuyển từ xuống vào ống truyền nhiệt lên trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hồn tự nhiên Phần phía thiết bị buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – thành dòng.Hơi thứ lên phía buồng bốc, đến phận tách giọt để tách giọt lỏng khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống thứ tiếp tục lên Dung dịch lại hồn lưu dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu (xc= 35%) lấy phần đáy thiết bị làm sản phẩm bơm vào bể chứa, đồng thời liên tục bổ sung thêm lượng dung dịch vào thiết bị Hơi thứ khí khơng ngưng từ phía buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh nước bơm vào ngăn dòng thứ dẫn vào ngăn thiết bị Dòng thứ lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí khơng ngưng tiếp tục lên trên, dẫn qua phận tách giọt bơm chân khơng hút ngồi.Khi thứ ngưng tụ thành lỏng thể tích giảm làm áp suất thiết bị ngưng tụ giảm.Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet thiết bị ổn định, trì áp suất chân không hệ thống Thiết bị làm việc áp suất khí nên phải lắp đặt độ cao cần thiết để nước ngưng tự chảy ngồi khí mà khơng cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn với nhiệm vụ tách giọt lỏng bị lôi theo dòng khí khơng ngưng để đưa bồn chứa nước ngưng để tránh va đập thủy lực làm hư bơm CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Dữ kiện ban đầu Nồng độ đầu: xđ = 12 % Nồng độ cuối: xc = 35 % Năng suất nhập liệu: Vđ = 0,5 m3/h Nhiệt độ đầu nguyên liệu: chọn t0 = 270C Áp suất ngưng tụ: pck = 0,5at ⇒ pc = 1- 0,5 = 0,5 at 3.2 Cân vật chất 3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc) Khối lượng riêng dung dịch đường 12% 270C: ρđ = 1048,31 kg/m3 (tra bảng I.85, trang 58, [1]) Suất lượng nhập liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1048,31 0,5 = 524,15 kg/h Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Gđ xđ = Gc.xc⇒Gc = = = 179,71 kg/h 3.2.2Tổng lượng thứ bốc lên (W) Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Gđ = W + Gc ⇒ W = Gđ – Gc= 524,15 – 179,71 = 344,44 kg/h 3.2.3 Tổn thất nhiệt độ Ta có áp suất thiết bị ngưng tụ p c = 0,5 at ⇒ nhiệt độ thứ thiết bị ngưng tụ tw = 80,90C (trang 314, [1]) Δ’’’ tổn thất nhiệt độ thứ đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn Δ’’’ = 0C (trang 330, [5]) Nhiệt độ sôi dung môi áp suất buồng bốc: tsdm(po) – tw = Δ’’’ ⇒ tsdm(po) = tw + Δ’’’ = 80,9+ = 81,90C Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 nhiệt độ 81,90C ⇒ po= 0,524 at Tổn thất nhiệt độ nồng độ tăng (Δ’) Theo công thức Tisencô (VI.10), trang 59, [2]: ' ='o f Trong đó: 'o- tổn thất nhiệt độ nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sơi dung mơi áp suất khí Dung dịch đặc có tuần hồn nên a = xc = 35 % Tra đồ thị hình VI.2, trang 60, [2]: 'o= 0,50C f – hệ số hiệu chỉnh khác áp suất khí quyển, tính theo công thức VI.11, trang 59, [2] f = 16,2 Với: t - nhiệt độ sôi dung môi áp suất cho (tsdm(po) = 81,90C) r - ẩn nhiệt hố dung mơi ngun chất áp suất làm việc Tra bảng I.251,trang 314, [1] r = 2307 kJ/kg ⇒ ƒ= 16,2= 0,887 ⇒Δ’ = 0,5 = 0,4430C ⇒tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 81,9 + 0,443 = 82,30C Tổn thất nhiệt độ áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’) Gọi ptb – áp suất thủy tĩnh lớp dung dịch cần cô đặc ptb = po + 0,5 .g.Hop = po+ Δ p (công thứ 2.19, trang 118,[4]) Trong đó: – khối lượng riêng thực dung dịch đặc khơng có bọt hơi, kg/m3 Chọn tsdd(po+ Δp) = 83oC, C% = xc= 35 % Ta có ρdd = 1153,31 kg/m3 (tra bảng I.86, trang 58, [1]) ⇒=576,65 kg/m3 Chiều cao lớp chất lỏng sôi H = [0,26+0,0014( dd - dm )].h op o ho – chiều cao ống truyền nhiệt, m Chọn ho = m ρdm – khối lượng riêng dung môi nhiệt độ sôi 83 oC ρdm = 969,92 kg/m3 (Tra bảng I.249, trang 311,[1]) ⇒ Hop= [0,026+0,0014 (1153,31 – 969,92)1 = 0,516 m g – gia tốc trọng trường, m/s2 PO – áp suất thứ mặt thoáng dung dịch ⇒ ptb = po + 0,5 .g.Hop = 0,524 + 0,5576,659,810,5169,810-4 = 0,539 at Tra bảng I.251,trang 314,[1], ptb =0,539at tương ứng với tsdm(ptb) = 82,6940C ⇒Δ’’ = tsdm(ptb) - tsdm(po) =82,694 – 81,9 = 0,7940C ⇒tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 82,3 + 0,794 = 83,0940C Sai số 0,11% chấp nhận Vậy tsdd(ptb) = 830C Sản phẩm lấy đáy thiết bị t1’’= tsdd(po) +2 Δ’’= 82,3+1,588= 83,880C Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ ⇒ ΣΔ = 0,443+ 0,794+ = 2,237 0C Gia nhiệt nước bão hoà, áp suất đốt at, tD = 119,6oC (bảng I.251, trang 315, [1]) Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67,[2] Δthi = tD–tstb Trong đó: tstb– nhiệt độ sơi trung bình dung dịch tstb = ΣΔ + tw = 2,237+ 80,9 = 83,1370C tD - nhiệt độ đốt nồi 0C tw – nhiệt độ thứ thiết bị ngưng tụ 0C ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, 0C ⇒ Δthi= 119,6 – 83,137 = 34,463 0C Thông số Ký hiệu Nồng độ đầu Nồng độ cuối Năng suất nhập liệu Năng suất tháo liệu xđ xc Gđ Gc Đơn vị %wt %wt kg/h kg/h Giá trị 12 35 524,15 179,71 Có mặt bích, gồm mặt nối nắp buồng bốc, mặt nối buồng bốc buồng đốt, mặt nối buồng đốt đáy Các mặt bích phía buồng đốt có vỉ ống Mặt bích làm thép CT3 Thể tích thép làm mặt bích khơng có vỉ ống: V1 = h = 23,140,02 = 0,0056 m3 Thể tích thép làm mặt bích có vỉ ống: V2 = h = 23,140,02 = 0,0141 m3 Trong đó: D, Z, db, h thơng số bích nối buồng bốc – buồng đốt bích nối buồng đốt – đáy Dt – đường kính buồng đố, m Dnth – đường kính ngồi ống tuần hồn, m Thể tích thép làm mặt bích nối nắp buồng bốc: V3= h = 23,140,02 = 0,0068 m3 Trong đó: D, Z, db, h thơng số bích nối nắp buồng bốc Dt – đường kính buồng đốt, m ⇒ Tổng thể tích thép làm mặt bích: Vbích = V1 + V2 + V3 = 0,0056+ 0,0141 + 0,0068 = 0,0265 m3 ⇒ Khối lượng thép làm mặt bích: mbích = ρ2.Vbích = 78500,0265 = 208,02 kg 5.7.8 Bu lông ren Bu lông ren làm thép CT3 Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt bích nối buồng đốt – đáy: = 2.Z Trong đó: D = 1,7.db = 1,7.20 = 34 mm – đường kính bu lơng H = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi h’ = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc h’’ = h + = 20 + = 22 mm – chiều cao phần lõi bu lông h’’’ = mm – kích thước phần ren trống  = 220= 0,00117m3 Dùng cho bích nối nắp buồng bốc: 29 = Z Trong đó: D = 1,7.db = 1,7.20 = 34 mm – đường kính bu lơng H = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao phần bu lông không chứa lõi h’ = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc h’’ = h + = 20 + = 22 mm – chiều cao phần lõi bu lông h’’’ = mm – kích thước phần ren trống  = 24 = 0,000703 m3 5.7.9 Đai ốc Đai ốc làm thép CT3 Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt bích nối buồng đốt – đáy: = 2.Z H’ Trong đó: H’ = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc dt = 1,4.db = 1,4.20 = 28 mm – đường kính đai ốc dn= 1,15.dt = 1,15.28 = 32,2 mm – đường kính ngồi đai ốc  = 220 0,016 = 0,000127 m3 Dùng cho bích nối nắp buồng bốc = 2.Z H’ Trong đó: H’ = 0,8.db = 0,8.20 = 16 mm – chiều cao đai ốc dt = 1,4.db = 1,4.20 = 28 mm – đường kính đai ốc dn= 1,15.dt = 1,15.28 = 32,2 mm – đường kính ngồi đai ốc  = 32 0,016 = 0,000076 m3 ⇒ Tổng thể tích thép làm bu lông, ren đai ốc: V V1' V2' V1'' V2'' 0,001170,0007030,0001270,00076 0,00276 m3 ⇒ Khối lượng thép làm bu lông, ren đai ốc: mbu lông + mđai ốc = ρ2.ΣV = 78500,00276 = 21,66 kg 5.7.10 Vỉ ống Được làm thép không gỉ OX18H10T Thể tích thép làm vỉ ống: 30 Vvi = S Trong đó: Dt = 600 mm – đường kính buồng đốt dn = 32 mm – đường kính ống truyền nhiệt Dnth = 223 mm – đường kính ngồi ống tuần hồn S = 30 mm – chiều dày tính tốn tối thiểu phía vỉ ống Vvi= 20,03 = 0,00883 m3 Khối lượng thép làm vỉ ống:mvỉ = ρ1.Vvỉ = 79000,00883 = 69,761 kg Chi tiết Buồng đốt Buồng bốc Phần hình nón cụt Đáy nón Nắp ellipse ống truyền nhiệt ống tuần hồn trung tâm Mặt bích Bu long Ren Đai ốc Vỉ ống Loại thép OX18H10T OX18H10T OX18H10T OX18H10T OX18H10T OX18H10T Khối lượng (kg) 75,07 180,03 224,24 27,77 36,36 302,53 CT3 CT3 208,20 21,66 OX18H10T 69,76 1313,64 Tổng Thể tích dung dịch thiết bị: Vdd = Vc + Vống TH +Vống TN +Vđ Trong : Vc = .Hc+ Hgc = 3,14 + 0,04 = 0,222 m3 Với: Db – đường kính buồng bốc, m Dđ – đường kính buồng đốt, m Hc – chiều cao phần hình nón cụt (khơng tính gờ), m Hgc – chiều cao gờ nón cụt, m VốngTH – thể tích dung dịch ống tuần hồn, m3 VốngTN – thể tích dung dịch ống truyền nhiệt, m3 VốngTH + VốngTN = 0,0382 m3 Vđ – thể tích dung dịch đáy nón; m3 Vđ = 0,071 m3 ⇒ Vdd =0,222 + 0,0382 + 0,071 = 0,331 m3 31 Khối lượng cần tăng cứng cho phận: ⇒ mddmax= ρddmax.Vdd = 1153,311,0473= 381,97 kg Tổng tải trọng thiết bị: M = mtb + mddmax= 1313,64 + 381,97 = 1695,61 kg Chọn tai treo thẳng đứng, làm thép CT3 Trọng lượng tai treo: G = == 4158,48 N Các thông số tai treo chọn từ bảng XIII.36, trang 438, [2]: G.10-4 N/mm2 0,5 F.10-4 m2 72,5 q.10-6 N/m2 0,69 L B B1 100 75 85 H S mm 155 Trong đó: G – tải trọng cho phép tai treo; N F – bề mặt đỡ; N q – tải trọng cho phép bề mặt đỡ; N/m2 mt– khối lượng tai treo; kg 32 l a d 40 15 18 mt Kg 1,2 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 6.1 Thiết bị ngưng tụ baromet Theo bảng VII.1, trang 97, [2]: nhiệt độ không khí trung bình TPHCM t = 27,20C độ ẩm tương đối φ = 77 % Nhiệt độ bầu ướt chọn tư = 23 oC (Theo giản đồ h – x khơng khí ẩm) Nhiệt độ đầu nước lạnh chọn t2đ = 23 + = 27 oC Với pc =0,5 at tc = 80,9 oC: Nhiệt độ cuối nước lạnh chọn t2c = tc – 10 = 80,9 – 10 = 70,9oC Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng khơng khí cần hút tính theo công thứcVI.47, trang 84, [2]: Gkk = 0,000025.W + 0,000025.Gn + 0,01.W; kg/s Trong đó: Gn – lượng nước tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, tính theo công thức VI.51, trang 84, [2]: = , kg/s Với: W = 344,44 kg/h – lượng thứ vào thiết bị ngưng tụ iW = 2647,42 kJ/kg – nhiệt lượng riêng nước cn = 4180 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình nước ⇒ Gn = = 1,225 kg/s ⇒ Gkk = 0,000025+ 0,000025 + 0,01= 0,000989 kg/s Đối với thiệt bị ngưng tụ trực tiếp loại khơ, nhiệt độ khơng khí tính theo công thức VI.50, trang 84, [2]: tkk = t2d + + 0,1.(t2c – t2d) = 27 + + 0,1 (70,9 – 27) = 35,39oC ⇒ ph= 0,0573 at (tra giản đồ h – x khơng khí ẩm) -Thể tích khơng khí cần hút tính theo cơng thức VI.49, trang 84, [ 2]: Vkk = = = 0,00202 m3/s Kích thước chủ yếu thiết bị ngưng tụ: Thơng thường, suất tính tốn chọn lớn 1,5 lần so với suất thực tế Khi đó, đường kính thiết bị tính theo công thức VI.52, trang 84, [2]: = 1,383 33 Trong đó: ρh = 0,3027 kg/m3 – khối lượng riêng thứ 0,5 at ( I.251, trang 314, [1]) ωh = 20 m/s – tốc độ thứ thiết bị ngưng tụ (chọn) ⇒ = 1,383.= 0,0158 m Chọn = 0,5 m = 500mm Kích thước thiết bị ngưng tụ baromet chọn theo bảng VI.8, trang 88, [2]: Kích thước Đường kính thiết bị Chiều dày thành thiết bị Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị Bề rộng ngăn Khoảng cách từ tâm thiết bị ngưng tụ thiết bị thu hồi Chiều cao hệ thống thiết bị Đường kính thiết bị thu hồi Chiều cao thiết bị thu hồi Đường kính thiết bị thu hồi Đường kính cửa vào Hơi vào Nước vào Hỗn hợp khí vào Nối với ống baromet Hỗn hợp khí vào thiết bị thu hồi Hỗn hợp khí thiết bị thu hồi Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet ống thông thiết bị Ký hiệu Dtr S ao P b K1 Giá trị;mm 500 1300 1200 675 K2 T D1 h1 D2 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 1300 400 1440 300 100 80 125 80 50 50 - -Kích thước ngăn: Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt Chiều rộng ngăn xác định theo công thức VI.53, trang 85, [2]: b = + 50 = 250 + 50 = 300mm Có nhiều lỗ nhỏ đục ngăn, nước làm nguội nước nên đường kính lỗ chọn d = mm Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ thứ: 34 Nhiệt độ trung bình nước: ttb = = = 48,9oC ⇒ ρn = 990,54 kg/m3 (bảng I.249, trang 310, [1]) ⇒ Vn = = = 0,0012 m3/s Chọn chiều cao gờ ngăn h = 40 mm, chiều dày ngăn δ = mm, tốc độ tia nước ωc = 2,62 m/s Tổng diện tích bề mặt lỗ tồn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ, nghĩa cặp ngăn là: f = = = 0,467 m2 Chọn tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ 0,1 Các lỗ xếp theo hình lục giác Bước lỗ xác định công thức VI.55, trang 85, [2]: t = 0,866 = 0,86620,10,5= 0,000548 m 0,00055m = 0,55mm Mức độ đun nóng nước: P = = = 0,814 Tra bảng VI.7, trang 86, [2] với d = mm P = 0,814: Số ngăn n = Số bậc n = Khoảng cách ngăn h = 400 mm Thời gian rơi qua bậc τ = 0,41 s Trong thực tế, thiết bị ngưng tụ từ lên thể tích giảm dần Do đó, khoảng cách hợp lý ngăn nên giảm dần theo hướng từ lên khoảng 50 mm cho ngăn Chọn khoảng cách ngăn 400 mm Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị 1300 mm Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị 1200 mm Chiều cao phần gờ nắp 50 mm Chiều cao phần nắp ellipse 125 mm Chiều cao phần đáy nón 175 mm ⇒ Chiều cao thiết bị ngưng tụ: H = 125+ 50 + 1300 + 400.7 + 1200+ 175 = 5650 mm Kích thước ống baromet: 35 - Chọn đường kính ống baromet d = 100 mm = 0,1 m - Tốc độ nước lạnh nước ngưng tụ chảy ống baromet tính theo cơng thức VI.57, trang 86, [2]: d = ⇒ = = = 0,04 m/s -Chiều cao ống baromet tính theo công thức II-15, trang 102, [4]: H’ = h1 + h2 + h3 + h4; m Chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h tính theo cơng thức VI.59, trang 86, [2]: h1 = 10,33 ; m : b- độ chân không thiết bị ngưng tụ ; mmHg b = 760-0,5.735 = 392,5 mmHg ⇒ h1 = 10,33= 5,334m Chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống h2 tính theo cơng thức VI.60, trang87, [2]: h2= ( + λ + ∑), m chọn hệ số trở lực vào ống = 0,5 ống = ⇒ ∑ Nước lạnh nước ngưng tụ có : ttb = 53,95oC ρn= 986 kg/m3 μn= 0,000517 Ns/m2 ⇒ Re= = = 95357,83 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Regh = 6.= 6= 7289,343 Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220= 239201,5 ⇒ Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: = 0,1 = 0,1= 0,0234 36 ⇒ h2= = 0,00203 + 0,000019.H’ Chọn chiều cao dự trữ h3 = 0,5 m để đề ngăn ngừa nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn áp suất khí tăng  Chọn chiều cao đoạn ống baromet ngập bể nước h4 = 0,5 m ⇒ H’ = 5,334 + 0,00203 + 0,000019.H’ + 0,5 + 0,5 ⇒ H’ = 6,33 Chọn chiều cao ống baromet H’ = m 37 Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị HƠI VÀO Nhiệt độ Áp suất tc pc o C at 80,9 0,5 NƯỚC LÀM NGUỘI o Nhiệt độ đầu vào t2đ C o Nhiệt độ đầu t2c C Nhiệt dung riêng cn J/(kg.K) Lưu lượng khối lượng nước lạnh cần thiết nt Gn Kg/s Lưu lượng thể tích nước lạnh cần ngưng tụ Vn m3/s KHƠNG KHÍ NGƯNG Lưu lượng khối lượng kk dc hút thiết bị Gkk Kg/s Lưu lượng thể tích khơng khí dc hút thiếtbị Vkk m3/s o Nhiệt độ tkk C ĐƯỜNG KÍNH TRONG T/B NGƯNG TỤ Tốc độ thứ m/s Đường kính Dtr mm KÍCH THƯỚC TẤM NGĂN Chiều rộng ngăn b mm Đường kính lỗ ngăn d mm Bề dày ngăn mm Bước lỗ t mm CHIỀU CAO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Mức độ đun nóng nước P Số ngăn z Cái Chiều cao H mm KÍCH THƯỚC ỐNG BAROMET Tốc độ nước lạnh nc ngưng chảy ống m/s Đường kính ống d mm Độ chân không b mmHg Chiều cao cột nước cân h1 m Hệ số trở lực vào  Hệ số trở lực  Khối lượng riêng nước lạnh nướcngưg Kg/m3 Độ nhớt động lực Ns/m2 Chuẩn số Reynolds Re Hệ số ma sát Chiều cao H’ m 6.2 Bồn cao vị 38 27 80,9 4180 1,225 0,000989 0,00202 35,39 20 500 300 0,55 0,814 5650 0,04 100 392 6,33 0,5 986 0,000517 95357 0,0234 Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng dung dịch nhập liệu Bồn đặt độ cao phù hợp nhằm thắng trở lực đường ống cao so với mặt thống dung dịch nồi đặc Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) – (mặt thống nồi đặc): + + = + + + Trong đó: v1 = v2 = m/s p1 = at p2 = p0 = 0,524at ρ = 1048 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch đường 12% μ = 0,00196 Ns/m2 – độ nhớt động lực dung dịch đường 12% z2 - khoảng cách từ mặt thống dd nồi đặc đến mặt đất, m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = + 0,594 + + 0,032 + 1,6 = 4,224 m Với: z’ = m – khoảng cách từ phần nối ống tháo liệu đáy nón đến mặt đất Hđ = 0,554 + 0,04= 0,594 m – chiều cao đáy nón Hbđ = – chiều cao buồng đốt Hgc = 0,04m – chiều cao gờ nón cụt Hc = 0,032 m – chiều cao phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 15 mm = 0,015 m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc l = 20 m Tốc độ dung dịch ống: v = = = 0,786 m/s Chuẩn số reynolds: ⇒ Re = = = 6304,04 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Regh = 6.= 6= 833,83 Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: Ren = = 220= 30573,82 ⇒ Regh