Luận văn Thiết kế nhà máy sản xuất sơn Alkyd 1700 tấn / năm

trị P ở mẫu số ( trang 375 –[10]) Vậy công thức tính chiều dày đáy nồi phản ứng : (m) =*10-3 = 2,06 *10-3 (m) = 2,06 (mm) Đại lượng bổ sung C được tính theo công thức (XIII.17 trang 363-[10]) tăng thêm 1 ít ( đối với đáy , nắp dập tùy theo chiều dày [10] trang 386) Khi Sd –C < 10mm → tăng C lên 2 mm ( [10] trang 386 ) Ta có : Sd – C = 2,06-1,7= 0,36 mm <10 mm → C’= 1,7+2 = 3,7 (mm) →Sd’= C’ + S = 2,06+3,7=5,76 (m) Chọn Sd= 5 (mm) Kiểm tra ứng suất đáy bằng áp suất thủy lực : Theo công thức (XIII.49 trang 386-[10]) , ta có ứng suất tác động lên đáy : σ Trong đó : Dt : đường kính thân nồi , Dt = 1,1 (m) . V hb : chiều cao phần lồi , hb = 0,275 (m) . S’d : bề dày đáy , S’d = 5*10-3 (m). C’ : hệ số bổ sung ăn mòn ở đáy , C’ = 3,7*10-3 (m). P0 : áp suất thử tính toán , P0 = 161164 (N/m2 ). σc : ứng suất chảy của thép không rỉ X17 , σc = 270*106 ( N/m2). k: hệ số vô thứ nguyên , do đáy lỗ được tăng cứng hoàn toàn → k=1 . φ : hệ số bền mối hàn , φ = 0,95 (XIII.8 trang 362-[10]). σ = = 76*106 (N/m2) ≤ (thỏa) Chọn bề dày đáy là Sd= 5 (mm) Tính toán nắp thiết bị : Ta chọn nắp elip có khả năng chịu ứng suất tốt hơn so với nắp phẳng do nắp elip có đường cong chuyển tiếp đều . Đường kính các cửa trên nắp thiết bị : Cửa sữa chữa : có dạng elip được tăng cứng hoàn toàn với a = 0,4 m, b=0,3m Lỗ nạp dầu và PbO : d1= 5 (cm) Lỗ nạp Glycerin : d2= 3 (cm) Lỗ nạp AP d3= 7 (cm) Lỗ thoát dẫn hỗn hợp đẳng phí : d4= 5 (cm) Lỗ dẫn khí CO2 : d5= 2 (cm) Lỗ lắp trục cánh khuấy d6= 6 (cm) Lỗ nạp Xylen : d7= 2 (cm) Bề dày của nắp được tính theo công thức (XIII.47 trang 385–[10]) (m) Trong đó : Dt: đường kính trong của nồi phản ứng ,Dt= 1,1 (m). Sn : chiều dày nắp nồi. φ = 0,95 : hệ số bền mối hàn . P : áp suất làm việc của thiết bị , P= Plv = 105 (N/m2). hb : chiều cao phần lồi của đáy , hb = 0,275 (m). φ : hệ số bền mối hàn hướng tâm , tra theo bảng XIII.8 trang 362-[6] →φ=0,95. k : hệ số vô thứ nguyên, do thân có lỗ được tăng cứng hoàn toàn nên k=1 C= 1,7 mm : hệ số bổ sung ( giống phần thân thiết bị ) . [k] : Ứng suất cho phép của giới hạn kéo : [k]=180*106 ( N/m2) . Do giá trị : = > 30 → ta có thể bỏ qua giá trị P ở mẫu số : Vậy công thức tính chiều dày của nắp : ==2,02 *10-3 (m) Đại lượng bổ sung C được tính theo công thức (XIII.17 trang 363-[10]) tăng thêm 1 ít ( đối với đáy , nắp dập tùy theo chiều dày [10] trang 386) Khi Sd –C < 10mm → tăng C lên 2 (mm) ( [10] trang 386 ) Ta có : Sn – C = 2,02-1,7= 0,32 mm <10 mm → C’= 1,7+2 = 3,7 (mm) →Sn’= C’ + S = 2,02+3,7=5,72 (m) Chọn Sn’ = 5 (mm) . Kiểm tra ứng nắp bằng áp suất thủy lực : Theo công thức (XIII.49 trang 386-[6]) , ta có ứng suất tác động lên nắp : σ chọn P0 = 2 Plv= 2*105 (N/m2) Trong đó : Dt: đường kính trong của nồi phản ứng ,Dt= 1,1 (m). S’n : chiều dày nắp nồi , S’n = 5*10-3 (m). φ = 0,95 : hệ số bền mối hàn . P : áp suất làm việc của thiết bị , P=Plv= 105 (N/m2). hb : chiều cao phần lồi của đáy , hb = 0,275 (m). φ : hệ số bền mối hàn hướng tâm , tra theo bảng XIII.8 trang 362-[6] →φ=0,95. k : hệ số vô thứ nguyên, do thân có lỗ được tăng cứng hoàn toàn nên k=1 C’= 3,7 mm : hệ số bổ sung ( giống phần thân thiết bị ) . c : Ứng suất cho phép của giới hạn chảy : c=270*106 ( N/m2) . →σ=(N/m2)≤(N/m2) Vậy bề dày nắp là Sn= 5 (mm) thỏa mãn điều kiện bền . III Chọn và tính kích thước cánh khuấy : [11,14] 3.1 Mục đích khuấy : Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng , khí rắn có các tính chất thành phần khác nhau : dung dịch, nhũ tương , huyền phù , hệ bọt … Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt . Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá trình hóa học. 3.2 Các loại cánh khuấy được sử dụng trong công nghiệp : Loại tấm , loại mái chèo bản. Loại mái chèo 2 thanh và mái chèo có thanh đặt chéo. Loại mỏ neo ( chữ U), mỏ neo ghép . Loại chân vịt . Loại tuốc-bin. 3.3 Lựa chọn cánh khuấy cho nồi tổng hợp nhựa Alkyd : Trong nồi tổng hợp nhựa Alkyd , độ nhớt nhựa Alkyd khá lớn nên ta chọn cánh khuấy dạng mỏ neo ghép . Cánh khuấy dạng mỏ neo ghép có các đặc điểm như sau : Khuấy chất lỏng nhớt và nặng . Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt . Ngăn cản quá trình kết tủa và lắng cặn ở thành và đáy . Tạo trạng thái lơ lửng của rắn trong môi trường nhớt . Cánh khuấy gồm 3 phần : Phần mái chèo : nằm ngang gắn kết với phần mỏ neo có tác dụng tăng cường sự khuấy trộn của chất lỏng theo phương bán kính ở phía thành nồi và giúp gia cố cho cánh khuấy . Phần mỏ neo : có hình dạng gần giống nồi tổng hợp để cánh khuấy quét sát đáy nồi tránh hiện tượng đóng cặn giúp cho quá trình trao đổi nhiệt tốt hơn . Phần thẳng đứng : nối với trục của động cơ và tăng cường sự khuấy trộn , tăng cường quá trình chảy rối trong chất lỏng . Hình 6.2 Sơ lược hình dạng cánh khuấy 3.4 Tính kích thước cánh khuấy : 3.4.1 Các thông số kính thước cánh khuấy và công suất máy khuấy : Chiều cao của cột chất lỏng trong nồi tổng hợp khi chỉ có dầu,Glycerin và PbO:Hl-nồi =0.9(m) Đường kính của nồi tổng hợp : Dt = 1,1 (m). Khối lượng riêng hỗn hợp ρhh = 1110,65 ( kg/m3). Chiều cao của cánh khuấy ta chọn bằng 8/9 so với chiều cao mực chất lỏng có trong nồi tổng hợp : h = 8/9 * Hltb =8/9 * 0.9 ≈ 0.8 (m) * Tra bảng 2.9 trang 37-[14] , ta có : Trong đó : do-k : đường kính ngoài của cánh khuấy. b : bề rộng bảng cánh khuấy . Đường kính ngoài của cánh khuấy : Chọn 4 → d o-k ≈ 1,04 (m) Bề rộng của cánh khuấy : Chọn → b = 0,1 (m) Đường kính trong của cánh khuấy : di-k = do-k – 2*b = 1 – 2*0,1 = 0,8 (m) Khoảng cách từ thành nồi đến cánh khuấy : e Khoảng cách từ đáy nồi đến cánh khuấy ta chọn a= 0,03 (m) , để cho cánh khuấy trộn hoàn toàn chất lỏng sát đáy . Phần mái chèo nằm ngang dùng tăng cường cho mỏ chèo ,ta chọn thanh ngang có bề rộng bằng bề rộng của phần mỏ neo là 0,1 ( m) , và nó được đặt nằm giữa cánh khuấy: h1 Chiều dày của cánh khuấy ta chọn là 2 (cm). 3.4.2 Tính công suất máy khuấy : Công suất cánh khuấy được xác định theo công thức ( 3.25 trang 74 – [14] ) : N = P * V Trong đó : P : trở lực của môi trường tác động lên cánh khuấy (N). V : vận tốc chuyển động đặc trưng của cánh khuấy ( m/s). Từ công thức ( 3.29 trang 74-[14]) ta tính được trở lực gây ra trên cánh khuấy : P = Cp* ω2* dk4 Trong đó Cp : hệ số trở lực , phụ thuộc vào các yếu tố hình học , yếu tố công nghệ của cơ cấu khuấy và phụ thuộc vào bản chất vật lý của môi trường khuấy . ω : vận tốc gốc (s-1) . dk : đường kính ngoài của cánh khuấy dk= do-k= 1,04 (m). Hệ số trở lực ( [14] trang 74) : Cp = ( 1,12 - 0,75 )* υ1/2 Với υ là độ nhớt động học của chất lỏng được khuấy ( cm2/s) Dựa vào công thức ( I.21 trang 86 – [11] ) ta xác định được độ nhớt động học : υ Trong đó : ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp ( kg/m3) . k : hệ số , cho k=1 . μ : độ nhớt động lực của chất lỏng ( cP) . Ta chọn độ nhớt lớn nhất của nhựa Alkyd đạt được khi tổng hợp μ = 5000 (cP) ( [8] trang 51) Quan hệ giữa các đơn vị đo độ nhớt động lực ( [11] trang 83 ) : 1 N.s/m2 =10 P = 1000 cP → μ = 5000 cP = 5 N.s/m2 →υ =45 (cm2/s) →Cp = (1,12-0,75)*451/2 ≈ 2,5 Tra bảng IV.4 trang 624 –[11] , ta chọn số vòng quay của cánh khuấy n= 0,8 (vòng/s) →ω = 2*Л * n = 2*Л*0,8 ≈ 5 ( s-1). Trở lực của môi trường tác động lên cánh khuấy : P = Cp * ω2 * dk4 = 2,5 * 52 * (1,04)4 ≈ 73,1 (N) Vận tốc chuyển động đặc trưng của cánh khuấy được xác định bởi công thức ( 3-28 trang 74-[11]): V = Cv*ω*dk Trong đó : C v : hệ số vận tốc , chọn Cv= 2 . ω : vận tốc góc ω = 5 ( s-1) . dk : đường kính ngoài cánh khuấy : dk = do-k = 1,04 (m). → V = 2 * 5 *1,04 = 10,4 ( m/s) Công suất khuấy trộn : N = P* V = 73,1 * 10,4 = 761 (W) Dựa vào công suất khuấy trộn để chọn động cơ điện . Công suất động cơ điện được xác định như sau: Ndc ( IV.15 trang 622 - [11] ) Trong đó : N : công suất khuấy trộn , N= 761 (W). η : hiệu suất ( khả năng truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy) , chọn η = 0,7 ( [11] trang 622). → Ndc≈ 1087 (w) ≈1,46 (HP) Như vậy ta chọn động cơ điện có công suất là 2 HP , với số vòng quay max là n = 60 vòng/ phút . 3.4.3 Tính trục cánh khuấy : Trục cánh khuấy chỉ chịu tác dụng của momen xoắn khi động cơ điện hoạt động nên công thức tính đường kính trục khuấy : do-trục = ( 5-1 trang 132-[14]) Trong đó : do-trục : đường kính ngoài trục khuấy (m) . τcp : ứng suất cắt cho phép , (N/m2) . Mx : momen xoắn (N.m2) . Dựa vào công thức 5-1a trang 132-[14] ta tính được momen xoắn : Mx Trong đó : Cx : hệ số dao động tải , thường lấy Cx = 1,1-1,6 , ta chọn Cx = 1,6 . Ndc : công suất động cơ , Ndc = 2 HP = 1492 (W) . w : vận tốc gốc của trục khuấy , w = 5 (s-1) . → Mx 477 (N.m2) Từ công thức 5-28 trang 140-[14] ta tính được ứng suất cho phép của thép không gỉ X17 : τcp Trong đó : σc : giới hạn chảy của thép không gỉ X17 , σc = 270*106 (N/m2) nT : hệ số an toàn chảy , thường lấy nT = 3-4 , chọn nT = 4 . βb : hệ số tác dụng đối với tiết diện ổ đỡ , thường lấy βb = 1,1-1,2 , chọn βb=1,2. → τcp 32,5*106 (N/m2) Đường kính ngoài trục khuấy : do-trục = 0,042 (m)= 42 (mm) Chọn đường kính ngoài trục khuấy : do-trục = 50 (mm). Do các điểm nằm gần tâm của tiết diện có giá trị ứng suất cắt bé (τcp ). Vì lý do đó nên khi thanh chịu xoắn thuần túy để tiết kiệm nguyên vật liệu và làm nhẹ thanh , người ta thường chọn thanh có tiết diện rỗng . Do đó ta chọn tiết diện trục khuấy có dạng vành khăn [15] . Chọn đường kính trong của trục khuấy di-trục = 20 (mm) Hình 6.3 Mặt cắt của trục khuấy Kiểm tra độ bền của trục khuấy : Điều kiện bền của trục : τmax < τcp ( [15] trang 177 ) Với τmax là ứng suất cắt gây ra khi động cơ điện hoạt động . Dựa vào công thức 7-33 trang 165-[15] , ta có : τmax Trong đó : Mx : momen xoắn do động cơ điện gây ra , Mx = 477 (N.m2). W0 : momen tiết diện chống xoắn (m3) . Momen tiết diện chống xoắn : W0 [16] Với η= [16] → W0 11,95*10-6 (m3) . → τmax 39,9*106 (N/m2) . Như vậy τmax > τcp → đường kính trục 50 (mm) không thỏa mãn điều kiện bền . Do đó ta chọn đường kính ngoài của trục khuấy là do-trục = 60 (mm) , di-trục = 30 (mm) . Ta có : η 0,5 W0 [16] 20*10-6 (m3). → τmax =24*106 (N/m2) (<τcp) Như vậy ta chọn đường ngoài kính trục khuấy là do-trục = 60 (mm) , di-trục = 30(mm) . IV Bộ phận gia nhiệt : Nồi tổng hợp được gia nhiệt bằng dầu tải nhiệt difenyl- BOT bằng vỏ áo bao quanh nồi , dầu tải nhiệt được nấu trong thiết bị nấu dầu bằng dầu FO .Ta mua thiết bị nấu dầu theo nhiệt độ và lưu lượng . Chất tải nhiệt Difenyl-BOT là hỗn hợp lỏng gồm có 26,5% Difenyl và 73,5% Ete difenyl có nhiệt độ sôi cao 2580C , nhiệt độ đóng rắn thấp (12,30C) thường được dùng để đun nóng đến nhiệt độ khoảng 2500C. [11] Như vậy ta sẽ chọn nhiệt độ vào của Difenyl-BOT là ti-BOT = 2450C, nhiệt độ ra của Difenyl-BOT là to-BOT =2350C. Từ bảng thống kê nhiệt lượng trong quá trình tổng hợp nhựa Alkyd (bảng 5.10) , ta nhận thấy nhiệt lượng cần cung cấp cho giai đoạn 1 là lớn nhất nên việc tính toán gia nhiệt dựa trên nhiệt lượng của giai đoạn này . Nhiệt lượng cần cung cấp cho dầu tải nhiệt : Qtn = Trong đó : Qtn : nhiệt lượng thực tế cần cung cấp cho dầu tải nhiệt (KJ) Q1: nhiệt lượng cần cung cấp cho giai đoạn 1 của quá trình tổng hợp nhựa Alkyd Q1 = 551*103 (KJ). η : hiệu suất của quá trình truyền nhiệt , chọn η = 0,9 . → Qtn = 613*103(KJ) = 613*106 (J) Phương trình cân bằng năng lượng : Qtn = C*mBOT*(t2-t1) Trong đó : C : nhiệt dung riêng của Difenyl-BOT ở 2450C , C = CBOT= 2,555 KJ/Kg0C ( tra bảng I.271 trang 330-[11] . mBOT : khối lượng của Difenyl- BOT (kg) . t2: nhiệt độ vào của Difenyl-BOT , t2=ti-BOT= 2450C. t1 : nhiệt độ ra của Difenyl-BOT , t1=to-BOT= 2350C. → mBOT = 23992 (kg) Thể tích dầu BOT cần dùng : VBOT = VBOT : thể tích của dầu BOT ( m3). mBOT : khối lượng của dầu BOT , mBOT = 23992 (kg) ρBOT: khối lượng riêng của dầu BOT tại 2450C , ρBOT = 879 ( tra bảng I.271 trang 330-[11]). → VBOT = ≈ 27,3 (m3) Đường kính trong của vỏ áo gia nhiệt : di-BOT = Dt + 2 St Trong đó : Dt : đường kính thân nồi , Dt = 1,1 (m) St : bề dày thân nồi , St = 3*10-3 ( m) → di-BOT = 1,1 + 2* (3*10-3) = 1,106 (m) Chọn bề rộng của vành khăn : eBOT = 0,1 (m) Khi đó đường kính ngoài của vỏ áo gia nhiệt : do-BOT = di-BOT + 2*eBOT = 1,106 + 2* 0,1 = 1,306 (m) Diện tích mặt cắt ngang của vùng gia nhiệt : Scắt-BOT = = 0,379 (m2) Do chất tải nhiệt Difenyl-BOT ở 2450C có độ nhớt là μBOT = 31,6 * 10-5 N.s/m2 ( tra bảng I.271 trang 330-[11]) thấp hơn độ nhớt của nước ở 300C là 81*10-5 ( N.s/m2) ( tra bảng I.101 trang 91-[11]) nên dầu tải nhiệt của ta thuộc chất lỏng ít nhớt , tra [10] trang 74 ta chọn tốc độ dòng cho dầu tải nhiệt là wBOT = 2 (m/s). 4.1 Tính α1 - hệ số cấp nhiệt từ dầu BOT đến thành nồi : Chỉ số Reynol : Re = ( 3.24 trang 108-[13] ) Trong đó : dtd : đường kính tương đương của vành khăn , dtd = eBOT = 0,1 (m) . w : vận tốc dòng của BOT , w = 2 (m/s). υ : độ nhớt động của BOT (m2/s) . Tra bảng I.271 trang 330-[11] để tìm độ nhớt động lực của BOT ở 2400C, μBOT =31,6*10-5 (N.s/m2). Từ công thức I.21 trang 86 -[11] , ta tính được độ nhớt động của dầu BOT : υ = Trong đó : μ : độ nhớt động lực của dầu BOT ở 2400C , μ=μBOT= 31,6* 10-5 ( N.s/m2). ρ : khối lượng riêng của dầu BOT ở 2400C , ρ = ρBOT = 879 (kg/m3) . → υ = 0,036*10-5 ( m2/s) → Re = 556.000 Chỉ số Prandtle : Pr = ( 3.22 trang 108-[13] ) Trong đó : C : nhiệt dung riêng của dầu BOT ở 2450C , C = CBOT = 2,555 (KJ/kg0C) ρ : khối lượng riêng của dầu BOT ở 2450C, ρ = ρBOT =879 ( kg/m3). υ : độ nhớt động của dầu BOT ở 2450C , υ = υBOT = 0,04*10-5 (m2/s). λ : hệ số dẫn nhiệt của dầu BOT ở 2450C , λ = λBOT = 0,1046 W/m0C ( tra bảng I.271 trang 330-[11] ) . → Pr = 7,7 Chuẩn số Nusselt : Tra công thức 3.45 trang 116 – [13] , ta có : Nu = 0,037*Re0,8*Pr0,43* Trong đó : Re : chuẩn số Reynol , Re = 500.000 Pr : chuẩn số Prandtle của dầu tải nhiệt khi bơm vào vỏ áo, Pr = 9 Prw: chuẩn số Prandtle của dầu tải nhiệt tại bề mặt nồi . Cho = 1 ( chấp nhận sai số 1%) → Nu = 0,037*(5,56*105)0,8* (7,7)0,43 ≈ 3511 Hệ số cấp nhiệt từ dầu BOT đến thành nồi : α1 = ( 3.21 trang 108-[13] ) Trong đó : Nu : chuẩn số Nusselt , Nu =3511 . λ : hệ số dẫn nhiệt của dầu BOT tại nhiệt độ 2450C , λ=λBOT =0,1046 (W/m0C) ( tra bảng I.271 trang 330-[11] ) . dtd : đường kính tương đương của nồi tổng hợp , dtd = Dnồi = 1,106 (m) . → α1 = ≈ 332 (W/0C) Tính tổng nhiệt trở qua thành nồi : Công thức tính tổng nhiệt trở qua thành nồi : R = r1 + + r2 ( V.3 trang 3 –[10] ) Với các thành phần : r1: nhiệt trở của cặn dầu BOT bám trên thành nồi , r1= 0,116*10-3 (m2.0C/W). (Tra bảng V.1 trang 4-[10]). r2 : nhiệt trở của cặn nhựa : r2 = 0,387*10-3 (m2 0C/W). (Tra bảng V.1 trang 4-[10]). λ : hệ số dẫn nhiệt của thép , λ=λthép=25,1 (W/m0C). δ : bề dày của thân nồi : δ = 3*10-3 (m). → R = 0,116*10-3 + + 0,387*10-3 = 0,622*10-3 ( m .0C/W) Tính α2 - hệ số cấp nhiệt cho nhựa : Đối với thiết bị vỏ áo dùng cánh khuấy để trộn chất lỏng , chuẩn số Nussel được xác định theo công thức V.67 trang 22- [10] : Nu = C* Rem * Pr0,33* Trong đó : Nu : chuẩn số Nussel , Nu = ( [10] trang 22 ) Re : chuẩn số Reynol , Re = ( [10] trang 22 ) Pr : chuẩn số Prandtle , Pr = ( [10] trang 22 ) μ: độ nhớt hỗn hợp của dầu thầu dầu khử nước và Glycerin ở nhiệt độ trung bình . μt : độ nhớt của hỗn hợp ở bề mặt truyền nhiệt . Đối với thiết bị vỏ bọc ngoài thì C= 0,36 , m=0,67. Cho ( chấp nhận sai số 1% ) → Nu = 0,36* Re0,67 * Pr0,33 Xác định chuẩn số Reynol : Chuẩn số Reynol : Re = ( [10] trang 22 ) Trong đó : ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp dầu và Glycerin . n : số vòng quay của cánh khuấy trong 1 giây , n =1 vòng/giây. d : đường kính ngoài của cánh khuấy , d=do-k= 1,04 (m) . μ : độ nhớt động lực của hỗn hợp dầu và Glycerin . Tính độ nhớt hỗn hợp Glycerin và dầu thầu dầu khử nước : Độ nhớt động lực của dầu thầu dầu khử nước : μd = 0,18 N.s/m2 ( bảng 3.3 ) Độ nhớt động lực của Glycerin : μGly = 1,3 N.s/m2 [18]. Độ nhớt hỗn hợp của dầu và Glycerin : μhh = xGl* μGly + xd*μd = 0,2*1,3 + 0,8*0,18 = 0,41 (N.s/m2) Tính khối lượng riêng của hỗn hợp Glycerin và dầu thầu dầu khử nước : Trong trường hợp này thì khối lượng riêng của hỗn hợp dầu và Glycerin: ( I.2 trang 5-[11] ) Trong đó : xGly : phần trăm khối lượng Glycerin có trong hỗn hợp , xGly= 20,12% ( bảng 5.8) xd : phần trăm khối lượng dầu có trong hỗn hợp , xd = 79,88% ( bảng 5.8) ρGly : khối lượng riêng của Glycerin , ρGly = 1270 (kg/m3) ( bảng 6.1 ) ρd : khối lượng riêng của dầu : ρd = 931 (kg/m3) ( bảng 3.3 ) → → ρhh = 984 (kg/m3) Chuẩn số Reynol : → Re = Xác định chuẩn số Prandtle : Pr = ( [10] trang 22 ) Trong đó : Pr : chuẩn số Prandtle . μ : độ nhớt động lực của hỗn hợp dầu và Glycerin . μ=μhh = 0,74 (N.s/m2). λ : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp dầu và Glycerin . C : nhiệt dung riêng của hỗn hợp dầu và Glycerin , C=Chh = 2,91 (KJ/kg.0C) ( bảng 5.9) Xác định hệ số truyền nhiệt của hỗn hợp dầu và Glycerin : λhh = A*C*ρ* ( W/m.0C) ( I.32 trang 123-[11]) Trong đó : A : hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với chất lỏng liên kết ( rượu và nước) A = 3,58*10-8 . ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp dầu và nước , ρ=ρhh= 984 (kg/m3) C :nhiệt dung riêng của hỗn hợp dầu và Glycerin , C=Chh = 2,91 (KJ/kg.0C) ( bảng 5.9) M : khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp dầu và Glycerin . Xác định khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp dầu và Glycerin : M= Trong đó : mGly : khối lượng Glycerin có trong hỗn hợp , mGly = 169 (kg) md : khối lượng dầu thầu dầu khử nước có trong hỗn hợp , md = 671 (kg) nGly : số mol của Glycerin . nd : số mol của dầu thầu dầu khử nước . Ta có : nGly = = = 1837 (mol) nd = =764 (mol) → M = 323 ( dvC) → λ = 3,58*10-8*2910*984*≈ 1,5 (W/m.0C) → Pr = 795,4 Chuẩn số Nussel : Nu = 0,36* (2661)0,67 * (795,4)0,33 ≈ 643 Hệ số cấp nhiệt cho nhựa : Nu = ( [10] trang 22 ) Trong đó : Nu : chuẩn số Nussel , Nu =517 α2 : hệ số cấp nhiệt cho dầu và Glycerin . Dt : đường kính của nồi phản ứng , Dt = 1,1 (m). λ : hệ số truyền nhiệt của hỗn hợp dầu và Glycerin , λ = 1,5 (W/m.0C). → α2 = 877 (W/0C) Tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt : Ta có phương trình truyền nhiệt : Qtn = K*F*∆t*τ (V.24 trang 10-[10]) Suy ra diện tích bề mặt truyền nhiệt : F= Trong đó : K : hệ số truyền nhiệt (W/m2.0C) F : diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2) Qtn : nhiệt lượng thực tế cần cung cấp cho dầu tải nhiệt , Qtn= 613*106 (J) ∆t : hiệu số nhiệt độ trung bình khi đun nóng dầu và Glycerin (0C) τ : thời gian gia nhiệt cho hỗn hợp τ = 2*3600 = 7200 (giây ). Theo công thức V.58 trang 20-[10] , ta xác định được hệ số truyền nhiệt K : K = Trong đó : α1: hệ số cấp nhiệt từ dầu BOT đến thành nồi , α1 = 1445 (W/0C). R: tổng trở qua thành nồi , R = 0,622*10-3 ( m2.0C/W) α2 : hệ số cấp nhiệt dầu và Glycerin , α2 = 705 (W/0C). → K =≈ 209,4 (W/m2.0C) Từ công thức V.25 trang 10-[10] ta xác định được hiệu số nhiệt độ trung bình khi đun nóng dầu và Glycerin : ∆t = Trong đó : T1 : nhiệt độ vào của dầu BOT , T1 = 2450C. T2 : nhiệt độ ra của dầu BOT , T2 = 2350C. t1 : nhiệt độ của hỗn hợp dầu và Glycerin lúc chưa gia nhiệt , t1 = 250C t2 : nhiệt độ của hỗn hợp dầu và Glycerin sau khi gia nhiệt , t2 = 2300C A : nhiệt độ của hỗn hợp dầu và Glycerin được đun nóng ở thời điểm nào đó ( 0C) Xác định A : A = ( [10] trang 10 ) = 3 (0C) → ∆t = 139 Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt trong 1 giây : F = 2,93 (m2) Ta có : F = Felip + Л*Dnồi*hv-thân Với : Felip : diện tích đáy của nồi tổng hợp , Felip =1,4 (m2). Dnồi : đường kính ngoài thân nồi tổng hợp (m) . hthân-BOT : chiều cao vỏ áo gia nhiệt ở thân nồi tổng hợp (m). Xác định đường kính ngoài thân nồi : Dnồi = Dt + 2*St = 1,1 + 2*3*10-3 = 1,106 (m) Chiều cao vỏ áo giải nhiệt trên thân nồi tổng hợp nhựa Alkyd : hthân-BOT = 0,44 (m) Ta chọn chiều cao vỏ áo gia nhiệt trên thân nồi là 0,5 (m ) . Chiều cao của vỏ áo giải nhiệt trên nồi tổng hợp nhựa Alkyd : hv-BOT = hthân-BOT + hđáy-BOT =0,5 + 0,3 = 0,8 (m) Chiều cao mực chất lỏng trong giai đoạn này : Hl = Hl-dầu + Hl-Gly Tính Hl-dầu : Vd = == 0,721 (m3) → Hl_dầu = ==0,76 (m) Tính Hl-Gly : VGly = = = 0,133 (m3) → Hl-Gly = = = 0,14 (m) → Hl = Hl-dầu + Hl-Gly = 0,76+0,14 = 0,9 (m) Như vậy ta nhận thấy rằng chiều cao vỏ áo giải nhiệt thấp hơn chiều cao mực chất lỏng trong giai đoạn này là 0,1 (m) nên chiều cao và diện tích vỏ áo gia nhiệt như vậy là hợp lý . Tính đường kính ống xã và ống dẫn dầu BOT cho vỏ áo gia nhiệt : Lưu lượng thể tích của Difenyl-BOT trong khoảng thời gian gia nhiệt 80 phút : Q = =≈3,8*10-3 ( m3/s) Theo công thức VI.42 trang 74 –[10] ta xác định được đường kính ống dẫn và ống xã của dầu BOT : dống-BOT = Trong đó : dống-BOT : đường kính ống dẫn và xả của dầu BOT (m) . Q : lưu lượng thể tích của dầu BOT , Q=3,8*10-3 ( m3/s). w : vận tốc dầu BOT đi trong ống , w =2 (m/s) ([10] trang 74) . → d ống-BOT = 0,049 (m) =4,9 (cm) Chọn ống có đường kính dống-BOT = 6 (cm) và được tăng cứng hoàn toàn . Tính bề dày vỏ áo : Bề dày thân vỏ áo gia nhiệt : Chọn bề dày vỏ áo gia nhiệt là 3(mm) , bề rộng vỏ áo gia nhiệt eBOT= 10 (cm) . Đường kính ngoài của phần vỏ áo gia nhiệt do-BOT =1,306 (m) Chọn vật liệu làm vỏ áo là thép không rỉ X17 có : Ứng suất kéo : k= 500 N/mm2 =500.106 N/m2 Ứng suất chảy: c= 270 N/mm2 =270.106 N/m2 Hệ số bền mối hàn : = 0,95. Dầu Difenyl-BOT gây ra áp suất bên trong không đáng kể nên ta chọn áp suất áp suất thử bằng 2 lần áp suất khí quyển để cho thiết bị an toàn tuyệt đối khi vận hành → P0=2*105 ( N/m2) Kiểm tra ứng suất của thân vỏ áo bằng công thức XIII.26 trang 365-[10] : σ = Trong đó : do-BOT : đường kính ngoài của vỏ áo , do-BOT = 1,306 (m) . St-BOT : chiều dày thân của vỏ áo gia nhiệt , St-BOT = 3*10-3 (m). C : hệ số bổ sung , C =1,7*10-3 ( m) ( giống như phần thân nồi tổng hợp ). P0 : áp suất thử , P0 = 2*105( N/m2). : hệ số bền mối hàn , = 0,95. c: ứng suất chảy của thép không rỉ , c= 270.106 N/m2 . → 105*106 (N/m2) ≤ 225*106 (N/m2) (thỏa mãn biểu thức ) Như vậy ta chọn bề dày vỏ áo là Sv-BOT = 3 (mm). Bề dày đáy vỏ áo gia nhiệt : Chọn bề dày vỏ áo gia nhiệt ở đáy nồi là Sd-BOT = 3 (mm). Chọn vật liệu làm đáy vỏ áo là thép không rỉ X17 có : Ứng suất kéo : k= 500 N/mm2 =500.106 N/m2 Ứng suất chảy: c= 270 N/mm2 =270.106 N/m2 Hệ số bền mối hàn : = 0,95. Chọn áp suất thử P0 = 2*105 (N/m2). Kiểm tra ứng suất đáy vỏ áo bằng công thức XIII.49 trang 386-[10] : σ = Trong đó : do-BOT : đường kính ngoài của vỏ áo , dv-BOT = 1,306 (m) . Sd-BOT : chiều dày đáy của vỏ áo gia nhiệt , Sd-BOT = 3*10-3 (m). C : hệ số bổ sung , C =1,7*10-3 ( m) ( giống như phần thân nồi tổng hợp ). P0 : áp suất thử , P0 = 2*105( N/m2). : hệ số bền mối hàn , = 0,95. k=1: hệ số không thứ nguyên , do đáy có lỗ và được tăng cứng hoàn toàn nên k=1 hb : chiều cao gờ của đáy vỏ áo gia nhiệt , hb = 0,325 (m). ( tra bảng XIII.10-[10]) c: ứng suất chảy của thép không rỉ , c= 270.106 N/m2 . → 111,9*106 (N/m2) ≤ 225*106(N/m2) ( thỏa mãn biểu thức) Như vậy ta chọn bề dày đáy vỏ áo gia nhiệt là 3(mm). Tính toán chiều rộng lớp bảo ôn : Chọn vật liệu làm lớp bảo ôn cho nồi tổng hợp là bông thủy tinh.Bề dày lớp bảo ôn được xác định theo công thức V.137 trang 41-[10] : δbảo ôn = Trong đó : δbảo ôn : chiều rộng lớp bảo ôn (m). t : nhiệt độ vào của Difenyl – BOT , t = ti-BOT = 2450C . λ : hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh , λ = 0,0372 (W/m0C). q : tổn thất nhiệt , q= 120 (W/m2) ( tra bảng V.7 trang 42-[10]) d = do-BOT +2*St-BOT = 1,306 + 2*3*10-3 = 1,312 (m) → δbảo ôn =≈ 0,044 (m) = 4,4 (cm) Chọn δbảo ôn = 5 (cm) V Bộ phận giải nhiệt vỏ áo : Để thuận tiện cho việc thiết kế , lắp đặt và bảo trì cũng như yếu tố kinh tế , ta chọn bộ phận giải nhiệt là vỏ áo với nước bên trong để giải nhiệt cho nồi tổng hợp. Ta nhận xét thấy lượng nhiệt lượng cần lấy đi ở giai đoạn 3 là lớn nhất trong 6 giai đoạn tổng hợp Q3 = -122,4 *103( KJ). Nhiệt độ nồi tổng hợp sẽ được giảm từ 2300C xuống còn 1700C để chuẩn bị cho quá trình cho AP vào nồi tổng hợp . Chọn nhiệt độ nước vào để giải nhiệt t i-nước = 250C , nhiệt độ nước ra là to-nước = 450C. Theo phương trình cân bằng năng lượng : Qn = Cn*mn*(t2-t1) ( [17] trang 19) Trong đó : Cn : nhiệt dung riêng của nước , Cn = 4,18 (KJ/kg0C ) ( [18]) mn : khối lượng nước cần để làm nguội (kg) . t1 : nhiệt độ vào của nước giải nhiệt , t1= ti-nước = 250C . t2 : nhiệt độ ra của nước giải nhiệt , t2 =to-nước = 450C . Qn: nhiệt lượng nước hấp thụ , Qn = Q3 = 147,2*103 (KJ) . → mn = 1761 (kg) Thể tích của nước cần làm nguội : Vn = Trong đó : mn : khối lượng nước cần để làm nguội ,mn= 1761 (kg) . ρn : khối lượng riêng của nước ở 250C , ρn = 997,08 (kg/m3) ( tra bảng