Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống Thiết Bị Cô đặc 3 Nồi Xuôi Chiều Hoạt ...

Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều hoạt động liên tục để cô đặc dung dịch đường mía với những yêu cầu sau:•Năng suất theo nguyên liệu: 3900kgh•Nồng độ đầu: 11% khối lượng•Nồng độ cuối: 61% khối lượng•Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thẳng đứng•Áp suất hơi đốt 4,25 atm•Áp suất trong thiết bị ngưng tụ 0,3 atm1.2.Tính chất về nguyên liệu:Thành phần chủ yếu trong nước mía là saccarozoNước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 1215%. Cần cô đặc đến nồng độ khoảng 65% để đáp ứng nhu cầu nấu đường.Nồng độ không được quá loãng vì sẽ tốn thời gian nấu đường, cũng như không được quá đặc vì sẽ kết tinh đường trong ốngTrong quá trình cô đặc cần khống chế nhiệt độ, rút ngắn thời gian lưu để tránh tổn thất đường do chuyển hóa và phân hủy. Nhiệt độ nóng chảy và phân hủy của saccarozo là 186oC.Dung dịch ban đầu có độ nhớt khá nhỏ, ở 30oC với nồng độ 10% thì độ nhớt là 1.37cP.Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều hoạt động liên tục để cô đặc dung dịch đường mía với những yêu cầu sau:•Năng suất theo nguyên liệu: 3900kgh•Nồng độ đầu: 11% khối lượng•Nồng độ cuối: 61% khối lượng•Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thẳng đứng•Áp suất hơi đốt 4,25 atm•Áp suất trong thiết bị ngưng tụ 0,3 atm1.2.Tính chất về nguyên liệu:Thành phần chủ yếu trong nước mía là saccarozoNước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 1215%. Cần cô đặc đến nồng độ khoảng 65% để đáp ứng nhu cầu nấu đường.Nồng độ không được quá loãng vì sẽ tốn thời gian nấu đường, cũng như không được quá đặc vì sẽ kết tinh đường trong ốngTrong quá trình cô đặc cần khống chế nhiệt độ, rút ngắn thời gian lưu để tránh tổn thất đường do chuyển hóa và phân hủy. Nhiệt độ nóng chảy và phân hủy của saccarozo là 186oC.Dung dịch ban đầu có độ nhớt khá nhỏ, ở 30oC với nồng độ 10% thì độ nhớt là 1.37cP.Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều hoạt động liên tục để cô đặc dung dịch đường mía với những yêu cầu sau:•Năng suất theo nguyên liệu: 3900kgh•Nồng độ đầu: 11% khối lượng•Nồng độ cuối: 61% khối lượng•Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thẳng đứng•Áp suất hơi đốt 4,25 atm•Áp suất trong thiết bị ngưng tụ 0,3 atm1.2.Tính chất về nguyên liệu:Thành phần chủ yếu trong nước mía là saccarozoNước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 1215%. Cần cô đặc đến nồng độ khoảng 65% để đáp ứng nhu cầu nấu đường.Nồng độ không được quá loãng vì sẽ tốn thời gian nấu đường, cũng như không được quá đặc vì sẽ kết tinh đường trong ốngTrong quá trình cô đặc cần khống chế nhiệt độ, rút ngắn thời gian lưu để tránh tổn thất đường do chuyển hóa và phân hủy. Nhiệt độ nóng chảy và phân hủy của saccarozo là 186oC.Dung dịch ban đầu có độ nhớt khá nhỏ, ở 30oC với nồng độ 10% thì độ nhớt là 1.37cP.Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều hoạt động liên tục để cô đặc dung dịch đường mía với những yêu cầu sau:•Năng suất theo nguyên liệu: 3900kgh•Nồng độ đầu: 11% khối lượng•Nồng độ cuối: 61% khối lượng•Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thẳng đứng•Áp suất hơi đốt 4,25 atm•Áp suất trong thiết bị ngưng tụ 0,3 atm1.2.Tính chất về nguyên liệu:Thành phần chủ yếu trong nước mía là saccarozoNước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 1215%. Cần cô đặc đến nồng độ khoảng 65% để đáp ứng nhu cầu nấu đường.Nồng độ không được quá loãng vì sẽ tốn thời gian nấu đường, cũng như không được quá đặc vì sẽ kết tinh đường trong ốngTrong quá trình cô đặc cần khống chế nhiệt độ, rút ngắn thời gian lưu để tránh tổn thất đường do chuyển hóa và phân hủy. Nhiệt độ nóng chảy và phân hủy của saccarozo là 186oC.Dung dịch ban đầu có độ nhớt khá nhỏ, ở 30oC với nồng độ 10% thì độ nhớt là 1.37cP.

Mục lục

Chương 1: Tổng quan 3

1.1 Tên đề tài: 3

1.2 Tính chất về nguyên liệu: 3

1.3 Quá trình cô đặc: 3

1.3.1 Định nghĩa: 3

1.3.2 Các phương pháp cô đặc: 3

1.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: 4

1.3.4 Ứng dụng của cô đặc: 4

1.4 Thiết bị cô đặc: 4

1.4.1 Phân loại và ứng dụng: 4

1.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc: 5

Chương 2: Quy trình công nghệ 6

1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ 6

2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ: 6

2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ: 6

2.1.2 Thuyết minh: 6

Chương 3: Cân bằng vật chất & năng lượng 8

3.1 Dữ kiện ban đầu: 8

3.2 Cân bằng vật chất: 8

3.3 Phân phối chênh lệch áp suất và nhiệt độ dung dịch trong mỗi nồi: 9

3.4 Tổn thất nhiệt độ của các nồi: 9

3.4.1 Tổn thất do nồng độ: 9

3.4.2 Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ: 11

3.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích các nồi: 11

Chương 4 : Tính kích thước thiết bị chính 13

4.1 Bề mặt truyền nhiệt buồng đốt: 13

4.1.1 Tính hệ số truyền nhiệt K: 13

4.1.2 Kiểm tra hiệu số nhiệt độ hữu ích: 15

4.1.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 16

4.2 Tính kích thước buồng đốt: 16

4.2.1 Số ống truyền nhiệt: 16

4.2.2 Đường kính ống tuần hoàn: 16

4.2.3 Đường kính buồng đốt: 17

4.3 Tính kích thước buồng bốc: 17

4.4 Tính đường kính các ống ra vào thiết bị: 19

Chương 5: Tính cơ khí thiết bị chính 21

5.1 Tính thân buồng đốt: 21

5.2 Tính thân buồng bốc: 22

5.2.1 Tính thân buồng bốc nồi 1: 22

5.2.2 Tính thân buồng bốc nồi 3:chịu áp suất ngoài 23

5.3 Tính đáy và nắp: 26

1

5.3.1 Tính đáy và nắp buồng bốc 26

5.3.1.2 Nồi chịu áp ngoài: Nồi 3 28

5.4 Tính bích, tai treo, vỉ ống: 30

5.4.1 Bích nối thân buồng bốc với đáy và nắp: 30

5.4.2 Bích nối buồng đốt với đáy và nắp: 31

5.4.3 Vỉ ống: 31

5.4.4 Tai treo: 32

5.5 Tính cách nhiệt: 34

5.6 Cửa sửa chữa và kính quan sát: 35

5.6.1 Cửa sửa chữa 35

5.6.2 Kính quan sát 35

Chương 6: Tính thiết bị phụ 35

6.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet: 36

6.1.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ: 36

6.1.2 Kích thước các tấm ngăn: 37

6.1.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 37

6.1.4 Đường kính ống Baromet: 37

6.1.5 Chiều cao ống Baromet: 38

6.2 Bồn cao vị : 39

6.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu đến nhiệt độ sôi (TBGN): 41

6.4 Tính bơm nhập liệu: 46

Kết luận 48

Tài liệu tham khảo 49

Chương 1: Tổng quan

1.1 Tên đề tài:

Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều hoạt động liên tục

để cô đặc dung dịch đường mía với những yêu cầu sau:

 Năng suất theo nguyên liệu: 3900kg/h

 Nồng độ đầu: 11% khối lượng

 Nồng độ cuối: 61% khối lượng

 Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thẳng đứng

 Áp suất hơi đốt 4,25 atm

 Áp suất trong thiết bị ngưng tụ 0,3 atm

1.2 Tính chất về nguyên liệu:

Thành phần chủ yếu trong nước mía là saccarozo

Nước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 12-15% Cần cô đặc đến nồng độ khoảng 65% để đáp ứng nhu cầu nấu đường

Nồng độ không được quá loãng vì sẽ tốn thời gian nấu đường, cũng như không được quá đặc vì sẽ kết tinh đường trong ống

Trong quá trình cô đặc cần khống chế nhiệt độ, rút ngắn thời gian lưu để tránh tổn thất đường do chuyển hóa và phân hủy Nhiệt độ nóng chảy và phân hủy của saccarozo là

1.3.2 Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dướitác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoángchất lỏng

3

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách

ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh

đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh

1.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độchuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn.Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bênngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấpnhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt

và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

1.3.4 Ứng dụng của cô đặc:

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt đượcnồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kếttinh

Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây

Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …

1.4 Thiết bị cô đặc:

1.4.1 Phân loại và ứng dụng:

1.4.1.1 Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc:

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịchkhá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng chodung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

-Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâulàm biến chất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoaquả ép…

1.4.1.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình:

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thườngdùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, đạt năng suất cực đại vàthời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chânkhông Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá

vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra Có thể cô đặc chân không, côđặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mụcđích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự động hóa

 Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp

1.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:

1.4.2.1 Thiết bị chính:

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…

1.4.2.1 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

- Thiết bị đo và điều chỉnh

5

Chương 2: Quy trình công nghệ

1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ

Nguyên nhân chọn quy trình công nghệ 3 nồi xuôi chiều, buồng đốt ngoài thẳng đứng:

- Hệ thống cô đặc 3 nồi vì dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau, tiếtkiệm chi phí năng lượng, tuy nhiên số nồi không được quá lớn

- Xuôi chiều vì dung dịch đường dễ biến tính, caramen hóa ở nhiệt độ cao nên tiến hành xuôi chiều để sản phẩm hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất

- Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thẳng đứng có ưu điểm lớn là dễ dàng thay thếbuồng đốt khi cần sửa chữa Có thể sử dụng buồng đốt dự trữ hoặc thiết kế thiết bị

cô đặc có nhiều buồng đốt ngoài Có thể thay đổi được chiều cao của buồng đốt vàbuồng bốc hơi, nhờ vậy có thể điều chỉnh được tốc độ của quá trình tuần hoàn.Tốc độ dung dịch trong các ống truyền nhiệt lớn nên không có hiện tượng kết tinhbám bẩn thành ống truyền nhiệt Tận dụng toàn bộ bề mặt truyền nhiệt vào quátrình trao đổi nhiệt Khả năng tách hết các hạt lỏng cho hơi thứ tốt

- Tuy nhiên, thiết bị có một vài nhược điểm là cồng kềnh, tốn nhiều kim loại và tổnthất nhiệt lớn hơn loại có buồng đốt trong

2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:

2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ:

Bản vẽ quy trình công nghệ (A3 đính kèm)

2.1.2 Thuyết minh:

Nguyên liệu đầu tiên là dung dịch đường mía Dung dịch từ bể chứa nguyên liệuđược bơm lên bồn cao vị để ổn định lưu lượng sau đó vào thiết bị gia nhiệt thông qua lưulượng kế và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Thân hình trụ đặt đứng,bên trong gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống đượcgiữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Hơi nước bão hòa đi bên ngoàiống (phía vỏ) Dung dịch được đưa vào thiết bị, đi bên trong ống từ dưới lên Hơi nướcbão hòa sẽ ngưng tụ trên các bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch nâng nhiệt

độ của dung dịch đến nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ được đưa vàothiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng quabẫy hơi chảy ra bên ngoài Dung dịch sau nồi 1 tiếp tục qua nồi 2, hơi từ nồi 1 dẫn quanồi 2 để tiếp tục gia nhiệt, tương tự như vậy khi qua nồi 3

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: buồng đốt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ốngchùm đặt thẳng đứng Dung dịch được nhập vào cửa bên dưới, gần vị trí nối ống tuầnhoàn và buồng đốt, sau đó dung dịch đi trong ống truyền nhiệt, hơi đốt được cấp vào phíatrên của buồng đốt sẽ đi trong khoảng không phía ngoài ống Hơi đốt sẽ ngưng tụ bênngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống Dungdịch đi trong ống từ dưới lên và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ sôi rồitràn vào buồng bốc hơi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy rangoài.

Phần phía ngoài là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng hơi thành hai dòng dựa theo sựkhác nhau về khối lượng riêng, sản phẩm cần thu nhận có khối lượng riêng lớn hơn sẽ rơixuống đáy buồng bốc và đi xuống theo ống tuần hoàn Khi đó, một phần dung dịch sẽđược đưa ra ngoài theo ống lấy sản phẩm, một phần sẽ được tuần hoàn lại, dòng hơi thứ

đi lên phía trên buồng bốc đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm lytâm, vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị côđặc vào thiết bị ngưng tụ baromet Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ngưng tụ kiểutrực tiếp Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứdẫn vào cuối thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành lỏngchảy ra ngoài bồn chứa, khí không ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bộ phậntách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài Khí ngưng tụchuyển thành hơi lỏng thì thể tích của hơi sẽ giảm, làm áp suất giảm, do đó tự bản thânthiết bị áp suất sẽ giảm Vì vậy thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không,

nó duy trì áp suất chân không trong hệ thống Áp suất làm việc của thiết bị baromet là ápsuất chân không do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể

tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm

Bình tách giọt là một vách ngăn, có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bị lôi cuốntheo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽđược bơm chân không hút ra ngoài

Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trườnghợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm cho áp suất của thiết

bị ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi cô đặc

7

Chương 3: Cân bằng vật chất & năng lượng

3.1 Dữ kiện ban đầu:

Nồng độ đầu xđ = 11%

Nồng độ cuối xc = 61%

Năng suất nhập liệu Gđ = 3900 kg/h

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà có áp suất tuyệt đối là 4,25 at

Áp suất tuyệt đối trong TB ngưng tụ: Pnt = 0,3 at

W=W1+W2+W3=G đ ×(1−x đ

x c)=3900×(1−11

61)= 3196,72 kg/hW: tổng lượng hơi thứ bốc lên của toàn hệ, kg/h

W1, W2, W3 : lượng hơi thứ bốc lên trong nồi 1, nồi 2, nồi 3 , kg/h

Gđ , Gc : lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h

xđ , xc : nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng

Chọn tỷ lệ phân phối hơi thứ:

1 2

1, 25

W

2 3

G1 = Gđ – W1 = 3900 – 1310,13 = 2589,87kg/h

Suất lượng dung dịch ra khỏi nồi 2:

G2 = G1 – W2 = 2589,87 – 1048,11 = 1541,76 kg/h

Suất lượng dung dịch ra khỏi nồi 3:

x2= G đ × x đ

G đ−W1−W2

= 3900 × 0,11

3900−1310,13−1048,11=27,83 % Tương tự nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 3:

Ứng với áp suất này,nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là 68,7 0C

Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1oC

t3 = 68,7 +1=69,7 oC

Ứng với nhiệt độ này, áp suất trong nồi 3 là P3 = 0,315 at

Theo đề bài Phơi đốt =4,25 at

Tổng chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và áp suất hơi thứ nồi 3:

3.4.1 Tổn thất do nồng độ:

Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch (tsdd ) bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độsôi của dung môi nguyên chất (tsdm)

Hiệu số nhiệt độ ’= tsdd – tsdm gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:

Công thức tính toán : ’ = o’f

Với ’o là tổn thất nhiệt độ do nồng độ [3]

f là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung môi [3]

Bảng 3.1: Kết quả tính toán tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất làm việc

Dung dịch: (16,66%) Nồi 1 Nồi 2 (27,83%) Nồi 3 (61%)

dm : Khối lượng riêng dung môi , kg/m3;

H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m;  Chọn H = 2m

Po : Á`p suất trên mặt thoáng dung dịch lấy bằng áp suất hơi thứ,at;

g : gia tốc trọng trường, lấy g = 9,81 m/s2

Bảng 3.2: Kết quả tính toán tổn thất nhiệt độ do cột lỏng

Dung dịch: Nồi 1 (16,66%) Nồi 2 (27,83%) Nồi 3 (61%)

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do cột chất lỏng là: ΣΔp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at’’ = 0,25+0,61+2,7 = 3,56 oC

3.4.2 Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ:

Chọn nhiệt độ tổn thất trên mỗi đường ống là Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at’’’ = 1oC

Tổng tổn thất trên mỗi đường ống cho cả 3 nồi là ΣΔp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at’’’ = 3oC

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ của nồi 1 là: Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at1 =0,61+0,25 + 1 = 1,86 oC

tổng tổn thất nhiệt độ của nồi 2 là: Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at2 = 0,96+0,61+ 1 = 2,57 oCtổng tổn thất nhiệt độ của nồi 3 là: Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at3 = 3,19 + 2,7+ 1 = 6,89 oCtổng tổn thất nhiệt độ cả 3 nồi: ΣΔp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at = Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at1 + Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at2 + Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 at3 = 11,32 oCSuy ra nhiệt độ dung dịch ở mỗi nồi: tsdd,Pi = tsdm,Pi + Δp = 4,25 – 0,315 = 3,935 ati (oC)

3.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích các nồi:

Theo định nghĩa, hiệu số nhiệt độ hữu ích là chênh lệch giữa nhiệt độ hơi đốt với nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch:

ti = đ t ốt – T sdd (p0+p)

Hoặc: ti = T – ts

Mà: ts = t’ + ’ + ’’

11

Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

Nồi 1: ti1 = T1 – ts1 = T1 – (t1’ + 1’ + 1’’)Nồi 2: ti2 = T2– ts2 = T2 – (t2’ + 2’ + 2’’)Nồi 3: ti3 = T3– ts3 = T3 – (t3’ + 3’ + 3’’)Trong đó:

ti1, ti2,ti3 : Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

T1, T2, T3 : Nhiệt độ hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

ts1, ts2, ts3 : Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

t1’, t2’ ,t3’ : Nhiệt độ hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

1’, 2’,3’ : Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

1’’,2’’, 3’’ : Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi 1, nồi 2, nồi 3,

oC

Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:

∑ti = ti1 + ti2+ ti3 = 64,38 oC

Chương 4 : Tính kích thước thiết bị chính

4.1 Bề mặt truyền nhiệt buồng đốt:

Nồi 1: Q1 = Dr , W

Nồi 2: Q2 = W1r1 , W Nồi 3 : Q3 = W2r2 , W

r, r1, r2 : Ẩn nhiệt hóa hơi (ngưng tụ) của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2, nồi 3 (J/kg) [4]

Bảng 4.1 : Tính nhiệt lượng tạo hơi

1: hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt, (W/m2.độ)

4 1

0,57 2

 14654,64 W/(m2.K)

q1 = 14654,64.0,57 = 8239,61 W/m2

Để đơn giản, xem quá trình dẫn nhiệt qua thành ống là qua vách phẳng

 Tổng nhiệt trở thành ống: r r cáu1 r cáu2





Chọn rcáu 1 = 2,3.10-4 (m2.K/W) ; rcáu 2 =3,8.10-4 (m2.K/W)Chọn ống thép không gỉ X18H10T, bề dày  = 2 mm

  = 16,3 (W/m.độ)

r = 2,3.10-4 + 3,8.10-4 +

3

2.1016,3



= 7,29.10-4 (m2.K/W)Theo phương trình cân bằng nhiệt, truyền nhiệt ổn định qua vách phẳng:

tv = tv1 - tv2 = qv.r = q1.r (IV 0)

tv = 8293,61.7,29.10-4 = 6,63 oC ⇒ tv2 = 139,2 oCNhiệt tải riêng phía dung dịch: q2 = 2.t2 (IV 0)

2: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/(m2.K)

1 2 1

Tính toán hoàn toàn tương tự nồi 1, ta có kết quả như sau:

Bảng IV.2: Kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt của các nồi

Bảng IV.3: Nhiệt độ hữu ích của các nồi

 n= F

π d H=

49,17

3730,021 2

Tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt: FoΣ = n.π.

 Đường kính ống tuần hoàn: Dth =

D d

Dt: đường kính trong buồng đốt, mF: diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2s: bước ống, chọn s = 1,4dn = 1,4.0,025 = 0,035 mH: chiều cao ống truyền nhiệt, m

dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m

D

0,89 mChọn đường kính chuẩn: Dt = 1m mục 3d/291 [3]

4.3 Tính kích thước buồng bốc:

Nồi 3 có áp suất thấp nhất nên thể tích riêng hơi thứ của nồi 3 là lớn nhất, do đónồi 3 cần không gian hơi lớn nhất Vì vậy kích thước buồng bốc của 3 nồi chọn bằng kíchthước tính theo nồi 3

Với d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m

µh: độ nhớt động lực của hơi thứ, tra bảng 58 [4,48]

Với   là khối lượng riêng của giọt lỏng và của hơi thứl; h

Điều kiện để giọt lỏng không bị lôi cuốn, theo [3,276]: h < 0,8.o (IV 0)

Ta có: 0,76 < 0,8 1,56 = 1,25  thoảTheo công thức 5.15 [3,277], thể tích buồng bốc:

3

'

b h

W V

 



, m3 (IV 0)Trong đó: ’: cường độ bốc hơi trung bình, m3/m3.h

Theo công thức VI.33 [2,72]: ω’ = f ω’1at (IV 0)Với ω’1at: cường độ bốc hơi cho phép khi áp suất là 1at chọn ω’1at = 1600 m3/m3.h

f: hệ số tra theo đồ thị hình VI.3 [2,72], f = 1,2

 ’ = 1,2 1600 = 1920 m3/m3.hVậy thể tích buồng bốc:

V

Để đảm bảo an toàn, ta chọn chiều cao buồng bốc cho cả 3 nồi (phần thân trụ) Hb

= 2 m

Bảng IV.4: Kết quả tính kích thước thiết bị chính

Chiều cao, m 2

Đường kính ống truyền nhiệt, mm 25 x 2Đường kính ống tuần hoàn, m 0,325Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 65

4.4 Tính đường kính các ống ra vào thiết bị:

Tính đường kính các ống dẫn được tính theo công thức: d= √ 4.Q π v (IV 0)

Trong đó:

Q: lưu lượng thể tích lưu chất , m3/s

v: vận tốc lưu chất, m/s (chọn trước)

Chọn đường kính ống và chiều dài đoạn nối theo bảng XIII.32 [2,434] rồi tính lại

vận tốc thực của lưu chất đi trong ống

Kết quả tính toán được trình bày trong bảng IV.5

Bảng IV.5: Kích thước các ống dẫn ra vào thiết bị

Suất lượng (kg/s)

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

Vận tốc chọ n (m/

s)

Đường kính (m)

Đườn

g kính chọn (m)

Chiều dài đoạn nối (m)

Vận tốc thực (m/s)

Nhập liệu nồi 1 1,08 1045 1,5 0,029 0,025 0,09 2,11Nhập liệu nồi 2 0,72 1066 1, 5 0,024 0,025 0,09 1,38Nhập liệu nồi 3 0,42 1120 1,5 0,018 0,025 0,09 0,78Tháo liệu nồi 3 0,19 1296 1,5 0,011 0,025 0,09 0,31

19

Hơi đốt nồi 1 0,37 2,24 30 0,08 0,3 0,14 5,28

Chương 5: Tính cơ khí thiết bị chính

5.1 Tính thân buồng đốt:

- Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3

- Thân có 3 lỗ: 1 lỗ tháo nước ngưng, 1 lỗ xả khí không ngưng và 1 lỗ dẫn hơi đốt

- Cả 3 buồng đốt đều chịu áp trong, buồng đốt nồi 1 áp cao nhất, chỉ tính cho nồi 1

Kiểm tra bảng 5-1 [5,94] Với Dt = 1000 mm  Chọn S = 5 mm

Kiểm tra điều kiện bền: 5-10, 5-11 [5,97]

(thỏa)

[P] > Ptt =0,329 N/mm2 (thỏa)

Vậy bề dày thân buồng đốt nồi I thỏa điều kiện bền: S = 5 mm.

Vậy bề dày buồng đốt của cả 3 nồi đều là: S = 5 mm.

5.2 Tính thân buồng bốc:

Buồng bốc nồi 1, 2 chịu áp suất trong, buồng bốc nồi 3 chịu áp suất ngoài

5.2.1 Tính thân buồng bốc nồi 1:

5 1

0,004 0.11600

a t

S C D

Chọn Vật liệu thân buồng bốc là thép không gỉ X18H10T, có bọc cáchnhiệt

 hệ số hiệu chỉnh  = 0,95Chọn chế độ hàn nhiệt độ cao, tự động dưới lớp thuốc, hàn 2 phía giáp mối,với đường kính Db = 1400 mm  hệ số bền mối hàn h = 0,95

Theo [5,130], ta xét

[ ] 111,15

0,950,179

Theo công thức 5.10, [5,131], điều kiện bề dày:

Vậy bề dày thân buồng bốc nồi 1 và 2 là: S = 6 mm.

5.2.2 Tính thân buồng bốc nồi 3:chịu áp suất ngoài

Chọn vật liệu chế tạo là X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

 hệ số hiệu chỉnh  = 0,95Chọn chế độ hàn nhiệt độ cao, tự động dưới lớp thuốc, hàn 2 phía giáp mối, với

23

Theo bảng 2.12 [5,45]: Mođun đàn hồi ở 97,01 oC: Et = 2 105 N/mm2

Theo công thức 5.14 [5,133] thì bề dày tối thiểu của thân chịu áp suất

Theo bảng XIII.9 [2,364]  chọn bề dày thép tấm chuẩn là 8mm.

Kiểm tra bền khi thân chỉ chịu áp suất ngoài:

Kiểm tra bề dày thỏa mãn công thức 5.15 và 5.16 [5,134]:

*[ ]: Ứ ng suất cho phép tiêu chuẩn của loại thép CT3 làm thân ở nhiệt độ tính toán

b a

t

C S