Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% đến nồng độ 40%

Mục Lục

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN................................................................................................3
I.

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN................................................................................................................3

II.

TÍNH CHẤT NGUN LIỆU.....................................................................................................3

III.

CƠ ĐẶC.........................................................................................................................................3

1.

Định nghĩa..................................................................................................................................3

2.

Các phương pháp cơ đặc...........................................................................................................3

3.

phân loại và ứng dụng...............................................................................................................3

4. Ưu điểm và nhược điểm của cơ đặc chân khơng gián đoạn..........................................................4
IV.

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ........................................................................................................5

1.

Thuyết minh quy trình cơng nghệ............................................................................................5

2.

Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình cơng nghệ..........................................................6

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH..........................................................................................8
A.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG..........................................................................8

I.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT.................................................................................................................8
1.

Cân bằng vật chất......................................................................................................................8

B.

Thiết kế thiết bị chính.................................................................................................................13

I.

Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc....................................................................................13
1.

Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi...........................................................................................13

2.

Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sơi..........................................................13

3.

Nhiệt tải riêng phía tường.......................................................................................................14

4.

Nhiệt tải riêng trung bình.......................................................................................................15

5.

Tiến trình các tải nhiệt riêng..................................................................................................15

6.

Hệ số truyền nhiệt tổng qt K cho q trình cơ đặc..........................................................15

7.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt.................................................................................................15

C.

Tính kích thước thiết bị cơ đặc..................................................................................................16

I.

Tính kích thước buồng bốc............................................................................................................16
1.

Đường kính buồng bốc............................................................................................................16

2.

Chiều cao buồng bốc...............................................................................................................17

II.

Tính kích thước buồng đốt.........................................................................................................17

1.

Số ống truyền nhiệt..................................................................................................................17

2.

Đường kính ống tuần hồn.....................................................................................................18

3.

Đường kính buồng đốt ( Dt )..................................................................................................18
Trang 1


4.

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt..............................................................................................18

III.

Tính kích thước các ống dẫn......................................................................................................19

1.

ống nhập liệu............................................................................................................................19

2.

ống tháo liệu.............................................................................................................................19

3.

ống dẫn hơi đốt........................................................................................................................19

4.

ống dẫn hơi thứ........................................................................................................................20

5.

ống dẫn nước ngưng................................................................................................................20

6.

ống dẫn khí khơng ngưng.......................................................................................................20

D.

tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cơ đặc...................................................................20
1.

tính cho buồng đốt...................................................................................................................20

2.

Tính cho buồng bốc.................................................................................................................23

3.

Tính cho đáy buồng bốc..........................................................................................................26

4.

Tính cho nắp buồng bốc..........................................................................................................29

5.

Tính cho nắp buồng đốt..........................................................................................................31

6.

Tính cho đáy buồng đốt..........................................................................................................33

7.

Tính mặt bích...........................................................................................................................33

8.

Tính vỉ ống................................................................................................................................34

9.

Khối lượng và tai treo buồng bốc...........................................................................................37

10.

Khối lượng và tai treo buồng đốt...........................................................................................40

CHƯƠNG III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ............................................................................................43
I.

THIẾT BỊ NGƯNG TỤ..................................................................................................................43
1.

Chọn thiết bị ngưng tụ............................................................................................................43

2. tính thiết bị ngưng tụ.....................................................................................................................44
II.

Bơm...............................................................................................................................................49

1.

Bơm chân khơng......................................................................................................................49

2.

Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ.....................................................................................50

KẾT LUẬN.................................................................................................................................................52

Trang 2


Lời nói đầu
Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật
người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phương
pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi cịn chất rắn tan khơng bay hơi,
khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.
Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịch hóa
chất là thiết bị cơ đặc. Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại
theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung
tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết bị cơ đặc tuần hồn có ống tuần
hồn ngồi được dùng phổ biến. Vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ
vận hành và sữa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thể
dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu.
Trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc
3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình
sản xuất.
Đồ án q trình và thiết bị cơng nghệ hóa học là một môn học giúp cho
sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện
một nhiệm vụ trong sản xuất, có những kỹ năng tính tốn cần thiết sau khi
ra làm việc thực tế. Làm đồ án giúp cho sinh viên biết hệ thống hóa kiến
thức đã được học vào trong thực tế, mỗi sinh viên sẽ tự biết sử dụng trong

việc tra cứu các thong số cần thiết, vận dụng đúng các kiến thức đã được
học trong tính tốn một cách chính xác, tỉ mỉ từng bước tránh những sai sót
đáng tiếc về sau, nâng cao kỹ năng trình bày và đọc được bản vẽ thiết bị
một cách có hệ thống.

Trang 3


CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
I.

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án môn học này là Thiết kế thiết bị cô đặc chân không
một nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% đến nồng độ 40%
, năng suất nguyên liệu 600kg, sử dụng ống chùm.
II.
TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU
NaOH là một khối tinh thể trong suốt, màu trắng, ăn da mạnh.
Nhiệt độ nóng chảy là 3180C
Nhiệt độ sơi là 13880C
Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO2 của khơng khí, dễ chảy rửa thành Na2CO3.
NaOH dễ dàng tan trong nước, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch NaOH (dạng dung
dịch được sử dụng nhiều)
III. CƠ ĐẶC
1. Định nghĩa
Cơ đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong
dung dịch gồm 2 hai nhiều cấu tử. Q trình cơ đặc của dung dịch lỏng – rắn
hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sơi rất cao thường được tiến hành bằng
cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các q trình vật lý
– hố lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay khơng bay hơi trong

q trình đó), ta có thể tách một phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng
phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hịa tan trong dung
dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi sang dạng hơi.
2. Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang
trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp
suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ
tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi
để tăng nồng độ chất tan. Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên
mặt thống mà q trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta
phải dùng máy lạnh.
3. phân loại và ứng dụng
a. theo cấu tạo
Trang 4


- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên). Thiết bị cơ đặc nhóm
này có thể cơ đặc dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ
dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
 Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hồn trong hoặc ngồi.
 Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc)
- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hồn cưỡng bức). Thiết bị cơ đặc
nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt
truyền nhiệt. Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho
các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền
nhiệt. Bao gồm:
 Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
 Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.

- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho
phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay
ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của
dung dịch. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây,
hoa quả ép. Bao gồm:
 Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi
tạo bọt khó vỡ.
 Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi ít
tạo bọt và bọt dễ vỡ.
b. theo phương pháp thực hiện
- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi;
thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố
định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.
- Cơ đặc áp suất chân khơng: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân
không. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung mơi diễn ra
liên tục.
- Cơ đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên
q lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cơ chân
khơng, cơ áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng
hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.
- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn. Có thể được điều
khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.
4. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn.
Ưu điểm
Trang 5


- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.
- Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng.
- Thao tác dễ dàng

- Có thể cơ đặc đến các nồng độ khác nhau
- Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch
- Cấu tạo đơn gỉan, giá thành thấp
Nhược điểm
- Q trình khơng ổn định, tính chất hóa lí của dung dịch thay đổi liên tục theo
nồng độ, thời gian.
- Nhiệt độ hơi thứ thấ p, khô ng dù ng đượ c cho mụ c đích khá c.
- Khó giữ được độ chân khơng trong thiết bị
IV.
1.

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
Thuyết minh quy trình cơng nghệ
Ngun liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 10%. Dung dịch từ bể
chứa nguyên liệu được bơm vào buồng đốt bằng bơm nhập liệu. Khi đã nhập đủ
600kg thì bắt đầu cấp hơi đốt vào buồng đốt để gia nhiệt
Buồng đốt 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 được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là
hơi nước bão hồ có áp suất 4 at đi bên ngồi ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ
dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống
và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi.
Dung
dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào buồng bốc để cô đặc và thực hiện quá
trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng
qua bẫy hơi chảy ra ngồi. Dung mơi là nước bốc hơi sẽ thốt ra ngồi qua ống
dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt. hơi thứ được dẫn qua
thiết bị ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ
thành lỏng sẽ chảy ra ngồi bồn chứa. phần khơng ngưng sẽ được dẫn qua thiết
bị tách giọt để chỉ cịn khí khơng ngưng được bơm chân khơng hút ra ngồi.

Ngun lý làm việc của nồi cô đặc:
Dung dịch đi trong ống truyền nhiệt cịn hơi đốt (hơi nước bão hồ) đi trong
khoảng khơng gian ngồi ống ở buồng đốt. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và
truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống. dung dịch sau khi đạt
tới nhiệt độ sôi cần thiết sẽ được chảy qua buồng bốc bằng ống tuần hồn ngồi
để thực hiện q trình bốc hơi và cơ đặc. ống tuần hồn nối với đáy buồng bốc
được
Trang 6


2.

khóa lại bằng van và dung dịch sau khi đạt được nồng độ 40% sẽ được tháo ra
bồn chứa qua ống tháo liệu dưới đáy buồng bốc. nếu trong quá trình gia nhiệt
dung dịch đi trong buồng đốt rồi được đưa vào buồng bốc nhưng chưa được gia
nhiệt tới nhiệt độ sơi thì van ống tuần hồn nối với đáy buồng bốc sẽ mở để
hoàn lưu dung dịch trở lại buồng đốt bằng bơm tuần hoàn, để tiếp tục gia nhiệt
cho dung dịch
Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình cơng nghệ
Thiết bị chính:

Ống nhập liệu, ống tháo liệu

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng
Thiết bị phụ:


Bể chứa nguyên liệu

Bể chứa sản phẩm

Bồn cao vị

Lưu lượng kế

Thiết bị gia nhiệt

Thiết bị ngưng tụ baromet

Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị






Bơm tháo liệu
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Bơm chân không
Các van
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

Trang 7


CHƯƠNG II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
A.CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các số liệu ban đầu:
nồng độ đầu 10%.
Nồng độ cuối 40%.
Năng suất nhập liệu Gđ = 600kg
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 300c
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất 4at
Áp suất chân không cô đặc: Pck = 0.7at  Pc = 1 – 0.7 = 0.3
1. Cân bằng vật chất
a. Suất lượng tháo liệu (Gc)
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]
Gđ.Xđ = Gc.Xc
Gc =

Gđ . Xđ
600.10
=
= 150kg
Xc
40

Tổng hơi thứ bốc lên (W)
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]
Gđ = W + Gc
 W = Gđ – Gc = 600 – 150 = 450kg
Trong đó:
Gđ, Gc:
W:

lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn , kg

lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg

Xđ, xc:
nồng độ đầu và cuối mỗi giai đoạn
Gđ.xđ, Gc.xc: khối lượng NaOH trong dung dịch, kg
b. Tổn thất nhiệt độ
Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là Pc = 0.3at
 Nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tc = 68,70c (bảng I.251, trang 314
[1] )
∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị
ngưng tụ. chọn ∆’’’ = 10c ( trang 296 [5] )
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc
Tsdm (P0) = tc + ∆’’’ = 68,7 + 1 = 69,70c
Áp suất buồng bốc ( tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 69,70c
 P0 = 0,3139 at
c. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’)
Trang 8


Theo công thức TisenCo ( VI.10 trang 59 [2] )
∆’ = ∆’0.f
Trong đó
∆’0: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung mơi ở áp suất khí quyển.
Dung dịch được cơ đặc tuần hoàn nên
A = Xc = 40%
Trong bảng VI.2 trang 67 [2]  ∆’0 = 280c
f _ hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo cơng thức VI.11
trang 59, [2]
f = 16,14.

(t +273)2
r

trong đó
t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho ( tsdm (Po) = 69,70c )
r - ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi ngun chất ở áp suất làm việc, trong bảng
I.251, trang 314 [1]. r = 2333,732 KJ/Kg


F = 16,14.

(69,7 +273)2
= 0.812
2333,732.1000


∆’ = 28 . 0,812 = 22,7360c

Tsdd (Po) = tsdm (Po) + ∆’ = 69,7 + 22,736 = 92,4360c
d. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆p (N/m2), ta có
1

∆p = 2 . ρ s.g.Hop , N/m2
Trong đó ρ s – khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sủi bọt, Kg/m3
Hop – chiều cao lớp chảy lỏng sôi
Hop = [ 0.26 + 0.0014( ρ dd – ρ dm) ]. Ho
Với Ho – chiều cao ống truyền nhiệt
ρ dm – khối lượng riêng của dung môi ở tsdm

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho = 1,5m
Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số ( ρ dd – ρ dm) thay đổi không đáng kể nên ta
chọn tra ρ dd , ρ dm ở 200c
ρ dd (40%) = 1430kg/m3
ρ dm = 998,23 Kg/m3
 Hop = [ 0,26 + 0.0014.(1430 – 998,23) ]. 1,5 = 1,297m
1

∆p = 0,5. ρ hh.g.Hop = 0,5. 2 . 1430.9,81. 1,297 = 4548,68 (N/m2) = 0,046at
Trang 9


 Ptb = P0 + ∆ p = 0,3139 + 0,046 =0,3599at
Nhiệt độ sôi của nước ở 0,3599at là 72,800c ( bảng I.251 trang 312 [1] )
Độ tăng nhiệt độ sôi của cột thủy tĩnh
∆’’ = tsdm(Ptb) – tsdm(Po) = 72,80 – 69,7 = 3,10c
Nhiệt độ sôi dung dịch NaOH 40% ở áp suất
Po + ∆ p là tsdd(Po + ∆p) = 92,436 + 3,1 = 95,5360c
Sản phẩm được lấy ra tại đáy
 tsdd(Po + 2∆p) = 92,436 + 2.3,1 = 98,6360c
 tổn thất nhiệt độ
 ∑ ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 22,736 + 3,1 + 1 = 26,8360c
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt 4at, tD = 142,90c ( bảng I.251,
trang 315 [1] )
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích
∆thi = tD – ( tc + ∑ ∆ )
 ∆thi = 142,9 – ( 69,7 + 26,836 ) = 46,3640c
Thông số
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối

Năng suất nhập liệu
Năng suất tháo liệu
Suất lượng
Áp suất
Nhiệt độ
Áp suất
Nhiệt độ
ẩn nhiệt ngưng tụ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở
Po
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Áp suất trung bình
Nhiệt độ sơi của dung mơi ở
Ptb
Tổn thất nhiệt độ do cột thủy
tĩnh
Tồn thất nhiệt độ trên đường
ống

Ký hiệu
Xđ
Xc
Gđ
Gc
Hơi thứ
W
Po
tsdm(Po)
Hơi đốt
PD

tD
rD
Tổn thất nhiệt độ
Tsdd(Po)

Đơn vị
%wt
%wt
kg/h
kg/h

Giá trị
10
40
600
150

kg/h
at
0
C

450
0,3139
69,7

0

at
C

kJ/kg

4
142,9
2141

0

92,436

∆’
Ptb
tsdm(Ptb)

0

22,736
0,3599
72,80

∆’’

0

3,1

∆’’’

0

1

Trang 10

C

C
at
0
C
C
C


Nhiệt độ sôi của dung dịch ở
Ptb
Tổng tổn thất nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

tsdd(Ptb)

0

95,536

∑∆
∆thi

0

26,836
46,364

C
C
C

0

e. Cân bằng năng lượng
a. Cân bằng nhiệt lượng
Dòng nhiệt vào (W)
Do dung dịch đầu Gđ.Cđ.tđ
Do hơi đốt
D.i’’D
Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt φ .Dc.tc
Dòng nhiệt vào (W)
Do sản phẩm mang ra Gc.Cc.tc
Do hơi thứ mang ra
W.i’’W
Do nước ngưng
D.C.θ
Nhiệt cô đặc
Qcđ
Nhiệt tổn thất
Qtt
Nhiệt độ do dung dịch NaOH 10% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt
tvào = 300c
tra = tsdd(Po) = 92,4360c


Nhiệt độ dung dịch NaOH 10% đi vào thiết bị cô đặc tđ = 92,4360c

Nhiệt của dung dịch NaOH 40% đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là
tc = tsdd(Po + 2∆p) = 92,436 + 2.3,1 = 98,6360c
( công thức 2.15 trang 107 [3] )
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo
cơng thức (I.43, I.44 , trang 152 [1]
a =10% ( a < 0,2 )
cđ = 4186. (1 – a ) = 4186. ( 1 – 0.1 ) = 3767,4 J/(Kg.K)
a = 40% ( a > 0,2 )
cc = 4186 – ( 4186 – cct ).a = 4186 – ( 4186 – 1310,75 ). 0,4 = 3035,9 J/(Kg.K)
Với Cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức I.41
trang 152, [1]
Cct =

CNa .1+Co . 1+ CH .1 26000+16800+9630
=
= 1310,75 J/(Kg.K)
Mct
40

b. Phương trình cân bằng nhiệt
Gđcđtđ + D iD" + φDctD = Gccctc + W iW" + Dcθ ± Qcđ + Qtt *
(+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt )
Có thể bỏ qua:
Trang 11


- nhiệt lượng do hơi nước bão hòa ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi buồng đốt:
φDctD = 0

- Nhiệt cơ đặc: Qcđ = 0
Trong hơi nước bão hồ, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn
theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
 Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( iD" - cθ); W
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (khơng có quá
lạnh sau khi ngưng) thì ( iD" - cθ) = rD = 2141 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi
đốt).
Từ *  D.( 1- φ ). (I’’D – C θ) + Gđ.Cđ.tđ = Gc.Cc.tc + W.i’’W + Qtt
Lượng Qtt ra mơi trường xung quanh thường tính bằng ( 0,03 – 0,05 )Q
Thay Qtt = ε .QD = 0,05.QD ( trang 143, [9] )
 QD = D.( 1- ε ). (1 – φ ).( iD" - cθ) = Gđ. ( Cc.tc – Cđ.tđ ) + W.( I’’W – Cc.tc )
 Lượng hơi đốt biểu kiến
Gđ . ( Cc . tc – Cđ . tđ ) +W .(i ' ' W −Cctc)
D=
( 1−ε ) . ( 1−φ ) . r D

=

600
450
. ( 3035,9 . 98,636−3767,4. 142,9 ) +
+(2333,732.103 −3035,9.98,636)
3600
3600
=
(1−0.05 ) . ( 1−0.05 ) .2141000

0,111kg/s

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

QD = D. ( 1- ε ). ( 1 – φ ). rD = 0,111. ( 1 – 0,05 ). ( 1 – 0,05 ). 2141000 =
214480,03 (W)
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
D

0,111

d = W = 450 .3600 = 0,888 kg hơi đốt/ kg hơi thứ.
Thông số
Nhiệt độ vào buống bốc
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt
Nhiệt dung riêng dung dịch
10%
Nhiệt dung riêng dung dịch
30%
Nhiệt tổn thất
Nhiệt lượng do hơi đốt cung
cấp
Lượng hơi đốt biểu kiến
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Ký hiệu
Tđ
Tc
Cđ

Đơn vị
0
c
0

c
J/(kg.K)

Giá trị
92,4360c
98,6360c
3767,4

CC

J/(kg.K)

3035,9

Qtt
QD

W
W

10724,0015
214480,03

D
d

Kg/s
Kg/s

0,111

0,888

B. Thiết kế thiết bị chính
I. Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào
bằng cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước
Trang 12


ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h 0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hoà
tinh khiết trên bề mặt đứng. Công thức (V.101), trang 28, [4] được áp dụng:
0,25

α

1

r
= 2,04. A( H . ∆ t )
1

(2)

Trong đó:
α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K)
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at (2141 kJ/kg)
H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h 0 = 1,5 m)
A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm
Tm =

tD+tv 1
2

(1)

Chọn nhiệt độ vách ngồi tv1 = 139,80C
Sau nhiều lần tính lặp
 Tm =

142,9+ 139,8
= 141,350C
2

Tra A ( trang 29, [2] )



A = 194,405
∆t1 = tD – tv1 = 142,9 – 139,8 = 3,10C
∆t1 = tD – tv1 – hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía tường tiếp
xúc với hơi ngưng, 0C
2141000

 α 1 = 2,04. 194,405.( 1,5.3,1 ) = 10330,67 W/(m2.K)
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng
q1 = α 1. ∆t1 = 10330,67. 3,1 = 32025,08 W/m2
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi
Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]:
 α 2 = α n. ¿. ¿ ¿ W/(m2.K) (4)

Trong đó:
αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do
nước sơi sủi bọt
nên α n được tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]:
α n = 0,145.p 0,5 .Δt 2,33
với P = Po = 0,3139 at = 3078,564 N/m2
Sau khi tính lặp ta có tv2 = 112,43370C
 ∆t = tv2 – tsdd(Ptb) = 112,4337 – 95,536 = 16,8980C
 α n = 0,145. 30783,564 0,5. 16,8982,33 = 18466,463 W/(m2.K)
Trang 13


Tra:
 cdd = 3490 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb ), tra
bảng I.154, trang 172 [1]
 cdm = 4189,24 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb), tra
bảng I.249 trang 311 [1]
 μdd = 0,00292Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb), tra bảng I.101
trang 91 [1]
 μdm = 0,000387 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb ), tra bảng I.249
trang 311 [1]
 ρdd = 1378,123 kg/m3 - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd (ptb),
tra bảng I.2 trang 9 [1]
 ρdm = 976,175 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm (ptb ), tra
bảng I.5 trang 11 [1]
 λdd = 0,5601 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd (ptb),
tra bảng I.130 trang 134 [1]
 λdm = 0,67 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm (ptb), tra bảng
I.249 trang 311 [1]
0,565

0,56
)
 α 2 = 18466,46. (
0,67

. [ ¿0,435

= 8637, 38 W/m2.k
3. Nhiệt tải riêng phía tường
Cơng thức tính
qv =

∆ tv
2
∑ rv , W/m

trong đó: ∑rv tổng tở vách ; m2.K/W
δ

0,002

∑rv = r1 + λ + r2 = 0,3448.10−3 + 16,3 + 0,387. 10−3
= 0,8545. 10-3 m2.K/W
1

Với r1 = 2900 = 0.3448.10-3 m2.K/W – nhiệt trở phía hơi nước do vách
ngồi của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8])
r2 = 0,387.10-3 m2.K/W – nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của
ống có lớp

cặn bẩn dày 0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2]).
δ = 2 mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt
λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang
313, [2] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)
Δtv = tv1 - tv2 (3) ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường
Trang 14


Truyền nhiệt ổn định qv = q1 = q2
 Δtv = qv. ∑rv = 32025,08. 0,8545.10-3 = 27,36630C
 Nhiệt tải riêng phía dung dịch
q2 = α 2 . Δt2 = 8637,38. 16,898 = 145954, 447 W/m2
4. Nhiệt tải riêng trung bình
Qtb =

q 1+q 2 32025,08+ 145954,447
=
= 88989,76 W/m2
2
2

5. Tiến trình các tải nhiệt riêng
Dùng phương pháp số, ta lần lượt tính lặp qua các bước sau:
- Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1
từ đó tính tm theo (1) và Δt1 = tD – tv1 .
- Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 theo (2), từ đó tính q1
- Đặt qv = q1 , từ đó tính Δtv theo (3).
- Tính tv2 = tv1 – Δtv , từ đó tính Δt2 = tv2 – tsdd (ptb) và hệ số cấp nhiệt phía
dung dịch sơi α2 theo (4).
- Tính q2 .

- Tính qtb =

q1 +q 2
2

- Tính sai số tương đối của q1 so với qtb . Vòng lặp kết thúc khi sai số này
nhỏ hơn 5 %.
δ q =/

q 1−qtb
32025,08−88989,76
/
=
/
/ = 1,78
q1
32025,08

δ q < 5% nên sai số được chấp nhận ( các thông số đã được chọn phù hợp )

6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho q trình cơ đặc
K được tính thơng qua các hệ số cấp nhiệt
1

1

K = 1 + rv + 1 =
∑
α1

α2

1
1
= 937,14 W/(m2.K)
+0,8545. 10−3 +
10330,67
8637 ,38

7. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
QD

214480,03

F = K . ∆ t = 937,14. 46,364 = 4,9363 m2
hi
Chọn F = 4, 9363 m2

Trang 15


C.
Tính kích thước thiết bị cơ đặc
I. Tính kích thước buồng bốc
1. Đường kính buồng bốc
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc
W

450

Vh = ρ = 3600.0,1957 = 0,6387 m3/s
h
Trong đó
W – suất lượng hơi thứ Kg/h
ρh = 0,1957 Kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc
Po = 0,3139at tra bảng I.251, trang 314 [1]
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc
Vh
4. 0,6387 0,813
Wh = π . D2b = π . D2 = D2 (m/s)
b
b
4

Trong đó
Db đường kính buồng bốc ; m
Tốc độ lắng được tính theo cơng thức (5. 14), trang 276 [5]
Wo =

√

4. g . ( ρ' −ρ ' ' ) . d
3. ε . ρ' '

=

√

4. 9,81. ( 977,962−0,1957 ) . 0,0003 1,558
= D1,2 ; m/s

3. 8,079. D 1,2
b
b . 0,1957

Trong đó
ρ ' = 977,962 Kg/m3 khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm(Po) tra bảng I.249,
trang 311 [1]
ρh = 0,1957 Kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc
Po = 0,6275at
D: đường kính giọt lỏng ; m. chọn d = 0,0003m trang 292 [5]
ε hệ số trở lực tính theo Re
W h . d . ρ' ' 0,813.0,0003. 0,1957 3,978
Re =
=
= D2
D 2b .0,000012
μh
b

Với μh = 0,012.10-3 Pa.s độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,3139at.
Tra hình VI, trang 57 [8]
Nếu 0,2 < Re < 500 thì ε =

18,5
ℜ0,6

D 2b 0,6
1,2
 ε = 18,5. (
) = 8,079. Db

3,978

Áp dụng điều kiện Wh < ( 0,7 ÷ 0,8 ) Wo theo [5] trang 157


0,813
1,558
<
0,7.
2
Db
D0,6
b
Trang 16




Db > 0,8104m

Chọn Db = 0,8m = 800mm theo tiêu chuẩn trang 157 [5]
Kiểm tra lại Re
Re =

3,978
= 6,2156 ( thỏa 0,2 < Re < 500 )
0,82

2. Chiều cao buồng bốc
Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]:

Utt = f. Utt (1at); m3/(m3.h)
Trong đó:
f – hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển
Utt (1at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at. Chọn Utt (1at) =
1650 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2]).
 Utt = 1,1.1650 = 1815 m3/(m3.h)
Thể tích của khơng gian hơi được tính theo cơng thức VI.32 trang 71 [2]
W

450

Vb = ρ
= 0,1957.1815 = 1,267 m3
h .Utt
Chiều cao buồng bốc:
Vb

Hb = π . D2b =
4

4. 1, 267
= 2,520m
π . 0,82

Chọn chiều cao buồng bốc Hb = 2,5m
II.Tính kích thước buồng đốt
1. Số ống truyền nhiệt
Số ống truyền nhiệt được tính theo cơng thức (III-49), trang 134, [4]:
F

n = π . d .l
Trong đó
F = 4,9363 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt
l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt
d – đường kính của ống truyền nhiệt
Vì α 1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm.
Số ống truyền nhiệt là
4,9363

n = π . 1,5.0,025 = 41,9
Theo tiêu chuẩn bảng V.11, trang 48 [2]. Chọn số ống n = 61, bố trí theo hình lục
giác đều.
Trang 17


- Số lục giác đều là 4
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác là 9
- Số ống trên 1 cạnh của hình lục giác lớn nhất là 5
2. Đường kính ống tuần hồn
Áp dụng cơng thức (III.26), trang 121, [6]:
Dth =

√

4. ft
;m
π

Chọn ft = 0,3FD
π . d 2n .n

Với FD =
4

 ft = 0,3.
 Dth =

√

π . d 2n .n
π . 0,0292 .61
= 0,3.
= 0,012m2
4
4

4. 0,0121
= 0,1241m
π

Chọn Dtth = 159mm theo tiêu chuẩn trang 155, [5]
Chọn Dnth = 169mm
Chọn chiều dài ống tuần hoàn là 1m
3. Đường kính buồng đốt ( Dt )
Đường kính trong của buống đốt được tính theo cơng thức V.140, trang 49 [2]
Dt = t. (b – 1) + 4d ; m
Trong đó
t – bước ống; m. chọn bước ống t = 1,2 – 1,5dn trang 49 [2]
dn = 0,029 m – đường kính ngồi của ống truyền nhiệt
b – số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh đều
 Dt = 1,2.0,029.( 9 – 1) + 4.0,029 = 0,3944m

 Chọn Dt = 400mm theo tiêu chuẩn trang 156, [5]
4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Số hình lục giác
Số ống trên đường xun tâm
Tổng số ống khơng kể các ống trong hình viên phân
Số ống trong các hình viên phân
Dãy 1
Dãy 1
Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân
Tổng số ống của thiết bị

Trang 18

4
9
61
0
0
0
61


Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:
F’ = ( n.dt + Dth ). π . H = (61. 0,025 + 0,159). π .1,5 = 7,94 m2 > 4,94 m2 (thỏa)
III. Tính kích thước các ống dẫn
Đường kính của các ống được tính một cách tổng qt theo cơng thức (VI.41),
trang 74, [2]:
d=

√

4.G
π .v . ρ

√

4.G
4. 600
=
= 0,0141 m
π .v . ρ
3600. π . 1.1068,917

trong đó:
G – lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s
v – tốc độ của lưu chất; m/s
ρ – khối lượng riêng của lưu chất; kg/m3
1. ống nhập liệu
Gđ = 600kg/h
Nhập liệu dung dịch nhớt (Dung dịch NaOH 10% ở 92,4360C). Chọn v = 1 m/s
(trang 74, [2]).
ρ = 1068,917kg/m3 tra bảng I.2 trang 9 [1]


d=



√

Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435
Đường kính trong 20mm
Đường kính ngồi 25mm
2. ống tháo liệu
Gc = 150 kg/h
tháo liệu dung dịch nhớt (dung dịch NaOH 40% ở 98,6360C ). Chọn v = 1 m/s
(trang 74,[2] )
ρ = 1375,955 kg/h tra bảng I.2 trang 9 [1]



d=

√

4.G
4.150
=
= 0,00621m
π .v . ρ
3600. π . 1. 1375,955

√

Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435
Đường kính trong 20mm
Đường kính ngồi 25mm
3. ống dẫn hơi đốt
D = 0,111 kg/s
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]).

ρ = 0,4718 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
Trang 19




D=

√

4.G
=
π .v . ρ

√

4. 0,111
= 0,1224 m
π .20 .0,4718

 Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435
Đường kính trong 150mm
Đường kính ngồi 159mm
4. ống dẫn hơi thứ
w = 450kg/h
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 0,3139at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]).
ρ = 0,1957 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 314, [1]).


d=

√

4.G
=
π .v . ρ

√

4. 450
= 0,2017m
3600. π .20 . 0,1957



Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435
Đường kính trong 200mm
Đường kính ngồi 219mm
5. ống dẫn nước ngưng
1

Chọn Gn = 3 D
Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 4 at. Chọn v = 0,75m/s (trang 74,
[2]).
ρ = 923,461 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).


D=

√

4.G
=
π .v . ρ

√

4.0,111
= 0,00825m
3. π .0,75 . 923,461



Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 tài liệu [2] trang 435
Đường kính trong 20mm
Đường kính ngồi 25mm
6. ống dẫn khí khơng ngưng
Chọn Đường kính trong 20mm
Đường kính ngồi 25mm
D. tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cơ đặc
1. tính cho buồng đốt
a. sơ lược về cấu tạo
Buồng đốt có đường kính trong Dt = 400 mm, chiều cao Ht = 1500 mm.
Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí khơng ngưng.
Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
Trang 20


b. tính tốn
Bề dày tối thiểu S’:

Hơi đốt là hơi nước bão hồ có áp suất 4 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:
pm = pD – pa = 4 – 1 = 3 at = 0,2943 N/mm2
Áp suất tính tốn là:
Pt = pm + ρgH = 0,2943 + 1273,25.9,81.10-6 .1,5 = 0,313 N/mm2
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 142,90C, vậy nhiệt độ tính tốn của buồng đốt
là:
ttt = tD + 20 = 142,9 + 20 = 162,90C
(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
[σ]* = 115 N/mm 2
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7]).
 ứng suất cho phép của vật liệu là:
[σ] = η. [σ]* = 0,95.115 = 109,25 N/mm2
Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05.105
N/mm2 .
Xét:
[σ].φ
Pt

109,25.0,95
= 331,66 > 25
0,313

=

Theo công thức 5-3, trang 96, [7]:
S’ =

D t . Pt

400.0,313

=
= 0,6032 mm
2. [ σ ] . φ 2.109,25. 0,95

Trong đó:
φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía)
Dt = 400 mm – đường kính trong của buồng đốt
Pt = 0,313 N/mm 2 – áp suất tính tốn của buồng đốt
Bề dày thực S:
Dt = 400mm ⇒ Smin = 2 mm > 0,4901 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 2mm (theo
bảng 5.1, trang 94, [7]).
Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1mm (thời gian làm việc 10 năm).
Trang 21


Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm (theo bảng
XIII.9, trang 364, [2])
 Hệ số bổ sung bề dày là:
C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,22 = 1,22 mm
⇒ Bề dày thực là:
S = S’ + C = 2 + 1,22 = 3,22 mm
Chọn S = 4mm
Kiểm tra bề dày buồng đốt:
Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:
S−C a 4−1
=
= 0,0075 < 1 (thỏa)

400
Dt

Áp suất tính tốn cho phép trong buồng đốt:
2. [ σ ] . φ . ( S−C a ) 2.109,25. 0,95.(4−1)
[P] =
=
400+( 4−1)
Dt + ( S−C a )
= 1,545 N/mm2 > P t = 0,313 N/mm2
Vậy bề dày buồng đốt là 4mm
 Đường kính ngồi của buồng đốt
Dn = Dt + 2S = 400 + 2.4 = 408 mm
Tính bền cho các lỗ:
Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [7]):
3
dmax = √ Dt . ( S−C a ) .(1−k) ; mm
Trong đó:
Dt = 400 mm – đường kính trong của buồng đốt
S = 4 mm – bề dày của buồng đốt
k – hệ số bền của lỗ
k=

Pt . D t

0,313. 400

=
= 0,166
( 2,3. [ σ ] −Pt ) . ( S−C a ) ( 2,3.109,25−0,313 ) .(4−1)

 dmax = √3 400. 109,25. ( 4−1 ) .(1−0,166) = 47,818 mm
So sánh:
Ống dẫn hơi đốt dt = 150 mm > d max
Ống xả nước ngưng dt = 20 mm < d max
Ống xả khí khơng ngưng dt = 20 mm < d max
⇒ Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng
cứng bằng bề dày thân (4mm)
Trang 22


2. Tính cho buồng bốc
a. Sơ lược về cấu tạo
Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 800 mm, chiều cao Ht = 2500 mm.
Thân có 2 lỗ, gồm: ống nhập liệu, kính quan sát.
Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt
Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
b. Tính tốn
Bề dày tối thiểu S’:
Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngồi. Vì
áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,3139at nên buồng bốc chịu áp suất
ngoài là:
Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,3139 = 1,6861 at = 0,1654 N/mm2
Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm (po) = 69,70C, vậy nhiệt độ tính tốn của buồng
bốc là:
ttt = 69,7 + 20 = 89,70C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 2 phía)
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
[σ]* = 125 N/mm2
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7]).
⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η.[σ]* = 0,95.125 = 118,75 N/mm2
Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là
E = 2,01.105 N/mm 2 .
Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [7]).
 ứng suất chảy của vật liệu là
σ 'c = [σ]*.nc = 125. 1,65 = 206,25 N/mm2
Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 30% ở t sdd (ptb) là
ρdd = 1378,123 kg/m3
Áp dụng công thức 5-14, trang 98, [7]:
P L
S’ = 1,18. D. n .
E D

(

0,4

)

0,1654 2500 0,4
.
) = 5,4834 mm
= 1,18.800. (
2,01.105 800

Trong đó:
Dt = 800 mm – đường kính trong của buồng bốc
Pn = 0,1654 N/mm2 – áp suất tính tốn của buồng bốc
l = 2500 mm – chiều dài tính tốn của thân, là khoảng cách giữa hai mặt
bích

Bề dày thực S:
Trang 23


Dt = 800 mm ⇒ Smin = 3mm < 5,4834 mm ⇒ chọn S’ = 5,4834 mm (theo
bảng 5.1, trang 94, [7])
Chọn hệ số ăn mịn hố học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).
Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,5mm (theo bảng
XIII.9, trang 364, [2]).
 Hệ số bổ sung bề dày là:
C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,5 = 1,5 mm
 Bề dày thực là:
S = S’ + C = 5,4834 + 1,5 = 6,9834 mm
Chọn S = 7mm
Kiểm tra bề dày buồng bốc:
L
2500
=
= 3,125
Dt
800

Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]:

√

1,5.

Dt

L
2. ( S−Ca )
≤
≤
D
2. ( S−Ca )
t
Dt

√

(
)
 1,5. 2. 7−1 ≤ 3,125 ≤

√

800

√

800
2. ( 7−1 )

 0,184 ≤ 3,125 ≤ 8,165 (thỏa)
Kiểm tra công thức 5-16, trang 99, [7]:
Ett
L
2. S−C a ) 3
≥ 0,3. t . [ (

]
Dt
σc
Dt

√

3
2,01.105
 3,125 ≥ 0,3.
. [ 2. ( 7−1 ) ]
206,25

 3,125 ≥ 0,537 (thỏa)

√

800

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngồi:
So sánh Pn với áp suất tính tốn cho phép trong thiết bị [Pn]
theo 5-19, trang 99, [7]:
[ Pn] = 0,649. Et .

Dt S−C a 2
).
.(
Dt
L
800

√

7−1

S−C a
≥ Pn
Dt

 0,649. 2,01.105. 2500 . ( 800 )2 . 7−1 N/mm2 ≥ 0,1654 N/mm2
800
2
 0,2033 N/mm2 ≥ 0,1654 N/mm (thỏa)

√

(

)

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Trang 24


Xét: L = 2500 mm ≤ 5D = 5.800 = 4000 mm
Lực nén chiều trục lên buồng bốc:
Pnct = π .

D2n
(800+2.7)2

. Pn = π .
. 0,1654 = 21518,61 N
4
4

Theo điều kiện 5-33, trang 103, [7]:
D

800

25 ≤ 2. ( S−C ) = 2.(7−1) = 66,67 ≤ 250
a
D
Tra qc = f. [ 2.(S−C ) ¿ ở [7], trang 103:
a

 qc = 0,066
206,25
σ tc
 Kc = 875. t . q c = 875.
. 0,066 = 0,0593
2,01.105
E

Điều kiện thoả mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [7]):
S – Ca ≥

√

7–1≥

Pnct
π . Kc. E

√

t

21518,61
π . 0,0593. 2,01.105

 6 ≥ 0,758 (thỏa)
Ứng suất nén được tính theo cơng thức 5-48, trang 107, [7]:
Pnct

21518,61

=
= 1,4146 N/mm2
π . ( D t + S ) . ( S−Ca ) π . ( 800+7 ) .(7−1)
Ứng suất nén cho phép được tính theo cơng thức 5-31, trang 103, [7]:
σn =

S−C a

7−1

[σ n ¿ = Kc. Et . D = 0,0593. 2,01.105. 800 = 89,395 N/mm2
t
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời của áp suất ngoài

và
lực nén chiều trục:
Kiểm tra điều kiện 5-47, trang 107, [7]:
σn
P
+ n ≤1
[ σ n ] [ Pn ]
1,4146

0,1654

 89,395 + 0,2033 = 0,829 ≤ 1 (thỏa)
Vậy bề dày buồng bốc là 7mm


Đường kính ngồi buồng bốc:
Dn = Dt + 2S = 800 + 2.7 = 814 mm
Tính bền cho các lỗ:
Trang 25