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

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 → vận tốc lắng : )/(94,0 579,0.84,4.3 0002,0).579,001,959.(81,9.4 ..3 ).(4 sm dg h hlhl l =−=−= ρξ ρρω không thỏa điều kiện. Ta có bảng lặp ωl với điều kiện ωh < ωl : ωh (m/s) Re ξ ωl (m/s) ωh < ωl 1 9,34 < 500 4,84 0,94 loại 0,9 8,41 5,15 0,92 nhận vậy : ωl = 0,92 (m/s) đường kính của buồng bốc được tính theo công thức sau : Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 36 )(, .. .4 mWD hh bb πρω= Trong đó : W - khối lượng của hơi thứ đã được tính ở phần trên, Kg/s Dbb - đường kính trong của buồng hơi, m )(200)(2,0 .579,0.9,0 60/1.4 .. .4 mmmWD hh bb ==== ππρω Chọn theo đường kính buồng bốc theo tiêu chuẩn (QTTB T5, 157) → Dt = 600 (mm) 2.2.2. Thể tích không gian hơi. đường kính buồng bốc bằng đường kính buồng đốt : Dbb = 0,6 (m) thể tích không gian hơi được tính theo công thức (VI.32, STQTTB T2, 71) )(, . 3m U WV tth kgh ρ= Trong đó : W - lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, Kg/h. Utt - cường độ, bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích hơi nước bốc hơi trên một đơn vị thể tích của không gian hơi trong một đơn vị thời gian), m3/m3.h ρh – khối lượng riêng của hơi thứ, Kg/m3. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Utt chưa được xác lập, do đó khi tính toán một cách gần đúng đối với các dung dịch đậm đặc ta có thể sử dụng Utt = 1600 ÷ 1700 m3/m3.h. chọn Utt = 1600 (m3/m3.h), với áp suất trong buồng bốc 1at. Hơi thứ là hơi dung môi nguyên chất (hơi nước) → khối lượng riêng hơi thứ ρh = 0,579 (Kg/m3) ở áp suất 1 at theo (I.251, STQTTB T1, 315). )(065,0 1600.579,0 60 . 3m U WV tth kgh === ρ chiều cao của không gian hơi được tính theo công thức (VI.34, STQTTB T2, 72) Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 37 )(23,0 )6,0.( 065,0.4 . 4 22 mD V H bb kgh kgh === ππ Thường chiều cao của không gian hơi Hkgh không nhỏ hơn 1,5 m, còn khi bốc hơi các dung dịch tạo bọt mạnh thì chọn Hkgh = 2,5 ÷ 3 m. chọn chiều cao buồng bốc trong thiết bị thực tế Hkgh = 90 cm. Trong tính toán lí thuyết ta chọn Hkgh = 0,9 (m) = 90 cm. 2.2.3. Bề dày thân buồng bốc. chọn vật liệu làm thân buồng bốc 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 bốc hình trụ được tính theo công thức như đối với công thức tính toán đối với buồng đốt: (XIII.8, STQTTB T2, 360) [ ] )(,2 . mC P PDS bb ++= ϕσ (3) 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 Các giá trị C, φ, [σ], giống như tính toán đối với buồng đốt áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1 với: P1 - áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρgH xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1 = 0 Pmt = Pht = 1 (at) → P = 9,81.104 (N/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 38 Vì : [ ] 5012119,0. 10.81,9 10.132. 4 6 >==ϕσ P c , nên có thể bỏ qua P trong công thức (3). [ ] )(10.64,110.4,19,0.10.132.2 10.81,9.6,0 2 . 33 6 4 mC PD S c bb −− =+=+=→ ϕσ Theo tiêu chuẩn chọn 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: )/(10.81,9 24 mNPht = → Pth = 1,5.Pht = 1,5.9,81.104 = 147,15.103 (N/m2) xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1 = 0 → P0 = Pth + P1 = 147,15.103 (N/m2) vậy: [ ] [ ] )/(10.94,18 9,0).10.4,110.4.(2 10.15,147.)10.4,110.4(6,0 )(2 )( 26 33 333 0 mN CS PCSDt =− −+=− −+= −− −− ϕσ )/(,10.33,183 2,1 10.220 2,1 10.94,18 26 6 6 mNc ==≤=→ σσ vậy chọn S = 4 (mm) 2.2.4. Bề dày nắp buồng bốc. chọn vật liệu làm nắp buồng bốc là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125/127/STQTTB T1) và nắp có dạng hình elip có gờ: bề dày nắp elip được tính theo công thức (XIII.47, STQTTB T2, 385) [ ] )(,.2...8,3 . mC h D Pk PDS b bb hK bb +−= ϕσ (4) Trong đó : hb - chiều cao phần lồi của nắp, 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 39 C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m k - hệ số không thứ nguyên. φh - hệ số bền của mối hàn hướng tâm (nếu có). [σk] - ứng suất cho phép, N/m2 P - áp suất bên trong của thiết bị, N/m2 dựa theo bảng (XIII.10, STQTTB T2, 382) ta có: Dbb (mm) Hb (mm) h (mm), (chiều cao gờ khi S = 4 (mm)) 600 150 25 giá trị C giống như tính toán đối với buồng đốt, C = 1,4.10-3 (m) áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1 với: P1 - áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρgH xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1 = 0 Pmt = Pht = 1 (at) → P = 9,81.104 (N/m2) hệ số không thứ nguyên k được tính như sau: bbD dk −= 1 , (d - đường kính lớn nhất hay kích thước lỗ không phải là hình tròn) chọn d = 0,1 (m) → 83,0 6,0 1,01 =−=k Tính ứng suất [σ] theo bảng (XII.6, STQTTB T2, 312) với [σ] phụ thuộc vào nhiệt độ buồng bốc t = 99,10C → [σ] = 127,24.106 (N/m2). hệ số bền của mối hàn hướng tâm φh = 0,95 Xét: [ ] 307,102295,0.83,0. 10.81,9 10.24,127.. 4 6 >==hkP ϕ σ → bỏ qua đại lượng P ở công thức (4): Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 40 [ ] CCCh D k PDS b bb hK bb +=+=+=→ −46 4 10.08,3 15,0.2 6,0. 95,0.83,0.10.24,127.8,3 10.81,9.6,0 .2 . ..8,3 . ϕσ đại lượng bổ sung S – C = 0,308 < 10 mm, do đó phải tăng giá trị của C nên 2 (mm) → C = 1,4 + 2 = 3,4 (mm) → S = 3,4 + 0,308 = 3,708 (mm) theo tiêu chuẩn (XIII.11, STQTTB T2, 384) ta chọn S = 4 (mm) kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi H2O: (XIII.49, STQTTB T2, 386) [ ] )/(, 2,1).(...6,7 .).(2 20 2 mN CShk PCShD c bh bbb 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: )/(10.81,9 24 mNPht = → Pth = 1,5.Pht = 1,5.9,81.104 = 147,15.103 (N/m2) xem trong buồng bốc chỉ có hơi thứ → P1 = 0 → P0 = Pth + P1 = 147,15.103 (N/m2) ( )2 3 3 3 6 6 6 2 3 3 0,6 2.0,15.(4.10 1, 4.10 ) .147,15.10 220.1022,71.10 183,33.10 ( / ) 7,6.0,83.0,95.0,15.(4.10 1, 4.10 ) 1, 2 1, 2 c N mσσ − − − − ⎡ ⎤+ −⎣ ⎦→ = = ≤ = =− vậy ta chọn S = 4 (mm) 2.3. Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị. từ phương trình lưu lượng : )/(,. 4 . 32 smdVs ωπ= (VI.41, STQTTB T2, 74) → đường kính ống hình trụ : )(, .785,0. 4 mVVd ss ωωπ == Trong đó : Vs – lưu lượng khí hoặc dung dịch chảy trong ống, m3/s. ω - tốc độ thích hợp của khí hoặc dung dịch đi trong ống, m/s. Ta có : Vs = W.v với : W - lưu lượng khối lượng, Kg/s Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 41 v - thể tích riêng, m3/Kg )(, .785,0 . .785,0 mvWVd s ωω ==→ 2.4. Đường kính ống dẫn hơi đốt. áp suất hơi đốt : Phđ = 3 at, t =132,90C → v = 0,618 (m3/Kg) theo (I.251,STQTTB T1, 315). chọn : ω = 20 (m/s) (hơi nước bão hòa), lưu lượng khối lượng D = W = 81,62 (Kg/h) = 0,0227 (Kg/s) (đã tính t