Đồ án Quá trình thiết bị Cô đặc

MỤC LỤC
1.

TỔNG QUAN............................................................................................................................1

1.1

Nhiệm vụ đồ án...............................................................................................................................1

1.2

Giới thiệu về nguyên liệu...............................................................................................................1

1.3

Khái quát về cô đặc........................................................................................................................1

1.3.1

Định nghĩa..........................................................................................................................1

1.3.2

Các phương pháp cô đặc.....................................................................................................2

1.3.3

Ứng dụng của cô đặc..........................................................................................................2

1.3.4

Hệ thống cô đặc chân không liên tục..................................................................................2

1.4

Lựa chọn thiết bị cô đặc......................................................................................................3

2.

THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.....................................................................4

2.1

Sơ đồ quy trình công nghệ............................................................................................................4

2.2

Thuyết minh quy trình công nghệ................................................................................................4
3.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG.....................................................................6

3.1 Dữ kiện ban đầu...................................................................................................................................6
3.2 Cân bằng vật chất.................................................................................................................................6
3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc).......................................................................................................6
3.2.2Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W).............................................................................................6
3.2.3 Tổn thất nhiệt độ....................................................................................................................6
3.3 Cân bằng năng lượng...........................................................................................................................8
3.3.1Cân bằng nhiệt lượng.............................................................................................................8
3.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt.................................................................................................8
4.

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH.............................................................................................10

4.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc......................................................................................10
4.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi.........................................................................................10
4.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi...........................................................10
4.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường....................................................................................................11
4.1.4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc...........................................................12
4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt...............................................................................................12
4.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc.........................................................................................................13
4.2.1 Tính kích thước buồng đốt...................................................................................................13
4.2.2 Tính kích thước buồng bốc..................................................................................................14


4.2.2.3 Tính kích thước các ống dẫn.............................................................................................15
5. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC.......................................17
5.1.2 Tính toán.............................................................................................................................17
5.2 Tính cho buồng bốc.....................................................................................................................18
5.2.1 Sơ lược về cấu tạo................................................................................................................18
5.2.2 Tính toán.............................................................................................................................18
5.3 Tính cho đáy thiết bị...................................................................................................................20
5.3.1 Sơ lược về cấu tạo................................................................................................................20
5.3.2 Tính toán.............................................................................................................................20
5.4 Tính cho nắp thiết bị...................................................................................................................23
5.4.1 Sơ lược về cấu tạo................................................................................................................23
5.4.2 Tính toán............................................................................................................................................23
5.5 Tính mặt bích.................................................................................................................................24
5.5.1 Sơ lược về cấu tạo................................................................................................................24
5.5.2 Chọn mặt bích......................................................................................................................25
5.6 Tính vỉ ống......................................................................................................................................26

5.6.1 Sơ lược về cấu tạo................................................................................................................26
5.6.2 Tính toán.............................................................................................................................26
5.7 Khối lượng và tai treo.................................................................................................................28
5.7.1 Buồng đốt............................................................................................................................28
5.7.2.Buồng bốc............................................................................................................................29
5.7.3 Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt.................................................................29
5.7.4 Đáy nón...............................................................................................................................29
5.7.5 Nắp ellipse...........................................................................................................................29
5.7.6 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm.....................................................................30
5.7.7 Mặt bích...............................................................................................................................30
5.7.8 Bu lông và ren.....................................................................................................................31
5.7.9 Đai ốc...................................................................................................................................31
5.7.10 Vỉ ống................................................................................................................................32
6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ......................................................................................................35
6.1 Thiết bị ngưng tụ baromet.......................................................................................................35
6.2 Bồn cao vị.......................................................................................................................................41
6.3 Bơm hút chân không..................................................................................................................43


6.6 Các thiết bị phụ khác.........................................................................................................................44
6.6.1 Lớp cách nhiệt.....................................................................................................................44
6.6.2 Kính quan sát.......................................................................................................................44
KẾT LUẬN.........................................................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................46


1. TỔNG QUAN
1.1 Nhiệm vụ đồ án
Thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch mạch nha năng suất 0,5 m 3/h.
Năng suất nhập liệu:

0,5 m3/h
Nồng độ đầu:
12%
Nồng độ cuối:
35%
Áp suất ngưng tụ:
Pck= 0,5at
1.2 Giới thiệu về nguyên liệu
Mạch nha (tên khoa học là maltum) là một sản phẩm làm từ mầm của ngũ cốc (lúa
mì, lúa mạch, đại mạch, yến mạch…) được cho nảy mầm trong điều kiện kiểm soát chứ
không giống cách nảy mầm tự do ngoài thiên nhiên và được sấy khô khi đạt được độ
mầm nhất định. Đó chính là những hạt lúa mạch đã nảy mầm dùng để chế rượu, bia.
Thành Phần đường trong mạch nha là đường maltose, gồm 2 phân tử gluco nối với nhau.
Thành phần chủ yếu của nguyên liệu là tinh bột. Tinh bột là một đại phân tử gồm hàng
triệu, triệu phân tử gluco hợp lại với nhau. Trong lúc đó, mạch nha là đường maltose.
Maltose chỉ 2 phân tử nối với nhau. Vì vậy, muốn biến tinh bột thành đường mạch nha
người ta thực hiện việc cắt mạch tinh bột thành từng cặp gồm 2 phân tử glucô với nhau
(bằng phương pháp lên men).
Ở Việt Nam ta vì chưa có lúa mạch, vẫn dùng hạt thóc tẻ (thóc chiêm hay thóc mùa đều
được) cùng họ để ngâm cho nẩy mầm rồi phơi khô gọi là cốc nha. Mới đây ta có nhập
giống lúa mạch về trồng để chế bia nhưng chưa đủ dùng. Muốn có thóc nẩy mầm, chỉ cần
đãi thóc sạch đất cát, ngâm nước cho ẩm, sau đó ủ kín, thỉnh thoảng tưới nước để giữ ẩm
đều, sau vài ngày hạt thóc nảy mầm, khi nào số mầm bắt đầu xanh thì lấy ra phơi nắng
cho khô, để nguyên hoặc tán nhỏ, sảy hết trấu mà dùng.
Mạch nha là sản phẩm ăn vừa ngon, vừa bổ và là nguyên liệu không thể thiếu trong công
nghiệp sản xuất bánh mứt kẹo và bia. Đường mạch nha có tác dụng làm cho kẹo tăng độ
dai, nhiều tơ, không bị lại đường, không bị chảy nhão do hút ẩm và là nguyên liệu bổ
sung quan trọng giúp các nhà sản xuất bia hạ được giá thành mà sản phẩm vẫn đảm bảo
chất lượng tốt. Ngoài ra, đường mạch nha còn là nguyên liệu cho rất nhiều ngành công
nghiệp khác. Đây còn là món ăn rất bổ nhờ có nhiều sinh tố, hợp tì vị, nhất là những

người yếu dạ dày.
1.3 Khái quát về cô đặc
1.3.1 Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong
dd hai hay nhiều cấu tử. Quá trình của cô đặc dd lỏng- rắn hay dd lỏng- lỏng mà có chênh
lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi.
Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có

1


thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun
nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.
1.3.2 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt: dưới tác dụng của nhiệt do đun nóng, dung môi chuyển từ trạng thái
lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên
mặt thoáng dd (khi dd sôi). Để cô đặ các dd không chịu được nhiệt độ cao (như dd
đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằn ở mặt thoáng thấp,
hay thường là ở chân không (p < 1ata). Đó là phương pháp cô đặ chân không.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ
được tách ra dưới dạng tinh thể tinh khiết- thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ
chất tan. Tùy theo tính chất của các cấu tử, điều kiện áp suất bên ngoài tác dụng lên dd
mà quá trình kết tinh có thể xảy ra ở nhiệt đọ cao hay thấp và có khi phải dung đến máy
lạnh.
1.3.3 Ứng dụng của cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây,…
Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaNO 3, các muối vô cơ…
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc
như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là
một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà

máy.Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một
tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do
đó, yêu cầu đượcđặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng
hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
1.3.4 Hệ thống cô đặc chân không liên tục
Mục đích: để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên,
màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy.
 Ưu điểm:
- Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không
trong thiết bị
- Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác dễ dàng, quy trình dừng khẩn cấp đơn giản
- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch
- Nhiệt độ sôi dung dịch giảm nên giảm chi phí năng lượng, chi phí cách nhiệt.
 Nhược điểm:
Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.
Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.
Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.
2


 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc chân không
Thiết bị chính
- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, …
- Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng, …
Thiết bị phụ
- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu
- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không
- Thiết bị gia nhiệt
- Thiết bị ngưng tụ Baromet

- Các loại van, thiết bị đo, …
 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
-

Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm
Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ
Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt
Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng
Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng

1.4 Lựa chọn thiết bị cô đặc
Dựa vào các phân tích ở trên: dung dịch mạch nha được cô đặc qua hệ thống 1nồi làm
việc liên tục, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. Thiết bị cô đặc dạng này
đơn giản dễ vệ sinh và sửa chữa. Có thể đạt nồng độ cuối theo yêu cầu (35%).
Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun
nóng và hệ số truyền nhiệt thấp.

3


2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ
Bản vẽ đính kèm
2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch mạch nha có nồng độ 12%. Dung dịch từ bể chứa
nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi
đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng 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.Nguồn nhiệt là hơi

nước bão hoà có áp suất 2 at đi bên ngoài 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 thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nướcngưng tụ thành nước
lỏng và theo ống dẫn nước qua bẫy hơi và thoát ra ngoài.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn
trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không
gian ngoài ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang
chuyển động trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ dưới lên và nhận nhiệt do
hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi.
Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống
tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt. Dung dịch được đun sôi, tạo thành
hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và
chuyển động từ dưới lên miệng ống.
Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so
với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn. Vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp
hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt. Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống
dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn
tự nhiên.
Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng.Hơi thứ đi
lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng. Giọt
lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn lưu. dung
dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu (xc= 35%) được lấy một phần ở đáy thiết
bị làm sản phẩm bơm ra ngoài vào bể chứa, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng
dung dịch vào thiết bị.
Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ
baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên
4

cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp
nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet.
Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân
không hút ra ngoài.Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất
trong thiết bị ngưng tụ giảm.Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định, duy trì
áp suất chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải
được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà
không cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng
khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng để tránh va đập thủy lực làm hư bơm.

5


3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1 Dữ kiện ban đầu

Nồng độ đầu: xđ = 12 %
Nồng độ cuối: xc = 35 %
Năng suất nhập liệu: Vđ = 0,5 m3/h
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 270C
Áp suất ngưng tụ: pck = 0,5at ⇒ pc = 1- 0,5 = 0,5 at
3.2 Cân bằng vật chất

3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc)
Khối lượng riêng của dung dịch đường 12% ở 270C: ρđ = 1048,31 kg/m3
(tra bảng I.85, trang 58, [1])
Suất lượng nhập liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1048,31 0,5 = 524,15 kg/h
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:

Gđ .xđ = Gc.xc⇒Gc = = = 179,71 kg/h
3.2.2Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:
Gđ = W + Gc ⇒ W = Gđ – Gc= 524,15 – 179,71 = 344,44 kg/h
3.2.3 Tổn thất nhiệt độ
Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p c = 0,5 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị
ngưng tụ là tw = 80,90C (trang 314, [1])
Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng
tụ. Chọn Δ’’’ = 1 0C (trang 330, [5])
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
tsdm(po) – tw = Δ’’’ ⇒ tsdm(po) = tw + Δ’’’ = 80,9+ 1 = 81,90C
Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 81,90C ⇒ po= 0,524 at
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)
Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]: ' ='o . f
Trong đó:
'o- tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp
suất khí quyển.
Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 35 %.
Tra đồ thị hình VI.2, trang 60, [2]: 'o= 0,50C
f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, tính theo công thức VI.11, trang 59, [2]
f = 16,2.
Với:
t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(po) = 81,90C)
r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc. Tra bảng I.251,trang
314, [1] được r = 2307 kJ/kg
⇒ ƒ= 16,2= 0,887
⇒Δ’ = 0,5 = 0,4430C
6

⇒tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 81,9 + 0,443 = 82,30C
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)
Gọi ptb – áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa dung dịch cần cô đặc
ptb = po + 0,5. .g.Hop = po+ Δ p (công thứ 2.19, trang 118,[4])
Trong đó:
– khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi, kg/m3
Chọn tsdd(po+ Δp) = 83oC, C% = xc= 35 %
Ta có ρdd = 1153,31 kg/m3 (tra bảng I.86, trang 58, [1]) ⇒=576,65 kg/m3
Chiều cao lớp chất lỏng sôi
H = [0,26+0,0014( dd - dm )].h
op

o

ho – chiều cao ống truyền nhiệt, m. Chọn ho = 1 m
ρdm – khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi 83 oC.
ρdm = 969,92 kg/m3 (Tra bảng I.249, trang 311,[1])
⇒ Hop= [0,026+0,0014 (1153,31 – 969,92)1 = 0,516 m
g – gia tốc trọng trường, m/s2
PO – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch
⇒ ptb = po + 0,5. .g.Hop = 0,524 + 0,5576,659,810,5169,810-4 = 0,539 at
Tra bảng I.251,trang 314,[1], ptb =0,539at tương ứng với tsdm(ptb) = 82,6940C
⇒Δ’’ = tsdm(ptb) - tsdm(po) =82,694 – 81,9 = 0,7940C
⇒tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 82,3 + 0,794 = 83,0940C
Sai số 0,11% được chấp nhận. Vậy tsdd(ptb) = 830C
Sản phẩm lấy ra tại đáy thiết bị t1’’= tsdd(po) +2. Δ’’= 82,3+1,588= 83,880C
Tổng tổn thất nhiệt độ:
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ ⇒ ΣΔ = 0,443+ 0,794+ 1 = 2,237 0C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2 at, tD = 119,6oC
(bảng I.251, trang 315, [1])

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67,[2]
Δthi = tD–tstb
Trong đó:
tstb– là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch
tstb = ΣΔ + tw = 2,237+ 80,9 = 83,1370C
tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi 0C
tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ 0C
ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, 0C
⇒ Δthi= 119,6 – 83,137 = 34,463 0C
Thông số

Ký hiệu

Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Năng suất nhập liệu
Năng suất tháo liệu

xđ
xc
Gđ
Gc
7

Đơn
vị
%wt
%wt
kg/h
kg/h

Giá trị
12
35
524,15
179,71


Suất lượng
Áp suất
Nhiệt độ
Enthalpy
Ẩn nhiệt ngưng tụ
Áp suất
Nhiệt độ

HƠI THỨ
W
po
tsdm(po)
iW
rW
HƠI ĐỐT
pD
tD

kg/h
at
oC

344,44
0,524
81,9

kJ/kg
kJ/kg

2647,42
2305,06

at
oC

2
119,6

Ẩn nhiệt ngưng tụ

rD
kJ/kg
TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po
tsdd(po)
oC

2208
82,3

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

Δ’

oC

0,443

Áp suất trung bình
Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb

ptb
tsdm(ptb)

at
oC

0,539
82,694

Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ
tĩnh
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb

Δ’’

oC

0,794

tsdd(ptb)

oC

83

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống

Δ’’’

oC

1

Tổng tổn thất nhiệt độ

ΣΔ

oC

2,237

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Δthi

oC

36,463

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1Cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt độ của dung dịch trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:

tvào = 27 oC

tra = tsdd(po) = 82,3 oC
⇒ Nhiệt độ dd đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 82,3 oC
⇒ Nhiệt độ của dd đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:
tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 83,88 oC
Nhiệt dung riêng: c = 4190- (2514- 7,542.t).x
8


x= 12%

cđ= 4190- (2514- 7,542.82,3).0,12= 3962,80 J/kg. oC

x= 35%

cc= 4190- (2514- 7,542.83,88).0,35= 3531,52 J/kg. oC

3.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt
Theo công thức 2.4, trang 114,[4]
Gđcđtđ + D.iD+ φDctD= Gccctc + W.iW+ D.cθ + Qtt Qcđ(*)
(+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt)
Có thể bỏ qua:

Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi
đốt vào buồng đốt: φDctD = 0


Nhiệt cô đặc: Qcđ = 0
Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn
theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
D i" - cθ); W
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là Q = D(1 - φ)(
D

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau
khi ngưng) thì ( iD - cθ) = rD =2208 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).
(*) ⇒D(1 - φ)( iD - cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W iW + Qtt(**)
Thay Qtt = εQD = 0,05QD :
(**) ⇒ QD = D(1 - ε)(1 - φ)( iD - cθ) = Gđ(cctc - cđtđ) + W( iW - cctc)
⇒ Lượng hơi đốt biểu kiến:
D=
=
= 0,111 kg/s
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD =0,111.(1 – 0,05).(1-0,05).2208000 =221191,92 W
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
d = = = 1,1601 (kg hơi đốt/ kg hơi thứ)
Qt = εQD = 0,05QD = 11059,60 W
Thông số
Nhiệt độ vào buồng bốc

Ký hiệu
tđ

Đơn vị
oC

Giá trị
82,3

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt

tc

oC

83,88

Nhiệt dung riêng dd 12%

cđ

J/(kg.)

3962,80

9


Nhiệt dung riêng dd 35%

cc

J/(kg.K)

3531,52

Nhiệt tổn thất
Nhiệt lượng do hơi đốt cung
cấp
Lượng hơi đốt biểu kiến
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Qtt
QD

W
W

11059,60
221191,92

D
d

kg/s
kg/kg

0,111
1,1601

4. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
4.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

4.1.1 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 ngưng chảy màng

(do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên bề mặt đứng.
Công thức (V.101), trang 28, [2] được áp dụng:
α1 = 2,04.A.
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 2 at (2305,06 kJ/kg)
H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1 m)
A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm
= : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt tường tiếp
xúc với hơi ngưng, oC
tm=
Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là= 117,50C
tm= = 118,550C
Tra A ở [2], trang 28 ⇒ A = 187,34
= tD- tv1 = 119,6- 117,5 = 2,1
⇒α1=2,04187,25 = 12147,47 W/(m2.K)
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
q1=α1.= 12147,472,1 = 25509,68 W/m2
4.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi
Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]:
α2= αn. .
W/(m2.K)
10


Trong đó:
αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt nên
αn được tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]:
αn = 0,145.p0,5.Δt2,33 với p = po= 0,524at = 51404,4 N/m2
Ta chọn, tv2 = 93oC ⇒Δt = Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) = 93 – 83,094 = 9,906oC

⇒αn = 0,145 51404,40,59,9062,33 = 6409,90 W/(m2.K)
λdd- hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb), W/(m.K)
(công thức I.32, trang 123,[1])
Đường: C12H22O11 => Mdd= 342
λdd= 3,5810-8 3531,311153,31 . = 0,218 W/(m.K)
λdm= 0,6763 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb)
ρdd= 1153,31 kg/m3 - khối lượng riêng của dd ở tsdd(ptb) (tra bảng I.86, trang 58, [1])
ρdm= 969 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb)
cdd = 3531,52 J/kg. oK- nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)
cdm = 4190 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb)
dd = 0,001053 Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb) (tra bảng I.112, trang 114,[1])
dm= 0,000331 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb)
Các thông số của nước cdm, dm, ρdm, λdm: tra bảng I.249, trang 311, [1]
⇒α2 = 6409,90
= 2440,11 W/(m2.K)
4.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường
Công thức tính:
qv = W/m2
Trong đó:
Σrv – tổng trở vách, (m2.K)/W
Σrv = r1 + + r2 = 0,344810-3 + + 0,38710-3 = 0,94610-3( m2.K)/W
Với:
r1= 0,344810-3 (m2.K/W)– nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng
nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8])
r2 = 0,38710-3 (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 – bề dày ống truyền nhiệt. δ = (do – dtr)/2 = (32 -25)/2 =3,5 mm (chọn ống có kích thước
d57/50)
11

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 ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường. Với quá trình cô đặc liên tục, sự
truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2.
⇒ Δtv = qv.Σrv
Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q2 = α2.Δt2 = 2440,1110 =24401,14W/m2
Tính sai số tương đối của q1 so với q2.Vòng lặp kết thúc khi sai số này nhỏ hơn 5%.
Sai số tương đối của q1 so với q2:
q = = .100% = 4,34%
q < 5% nên sai số chấp nhận (các thông số đã chọn phù hợp).
Nhiệt tải riêng trung bình:
qtb= = = 24956,91 W/m2
4.1.4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc
K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt:
K = = = 695,34W/ (m2.K)
4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt
F = = = 8,72 m2
Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Nhiệt độ tường phía hơi ngưng

tv

o

117,5

Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi

tv2

o

C

93

Hê số cấp nhiệt phía hơi ngưng

W/ (m2.K)

12147,47

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi

W/ (m2.K)

2440,11

Bề dày ống truyền nhiệt

M

0,0035

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống

W/(m.K)

16,3

C

Giá trị

Nhiệt trở phía hơi nước

r1

m2.K/W

0,3448.10-3

Nhiệt trở phía dung dịch

r2

m2.K/W

0,387.10-3

Hệ số truyền nhiệt tổng quát

K

W/ (m2.K)

695,34

Nhiệt tải riêng trung bình

qtb

W/m2

24956,91

12


Diện tích bề mặt truyền nhiệt

F

m2

8,72

4.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc

4.2.1 Tính kích thước buồng đốt
4.2.1.1 Số ống truyền nhiệt
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III-49), trang 134, [4]:
n=
Trong đó :

F = 8,72– diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2
l = 1 – chiều dài của ống truyền nhiệt, m
d – đường kính của ống truyền nhiệt.
Vì α1> α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm
Số ống truyền nhiệt là: n = = 112 ống
Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn tổng số ống của thiết bị là 127 và bố trí ống theo hình
lục giác đều.
4.2.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm Dth
Dth= , m
Chọn ft = 0,25FD =
⇒ Dth = = 0,203 m
Chọn đường kính ống tuần tuần hoàn theo tiêu chuẩn trang 324 [5] Dth= 219 mm
4.2.1.3 Đường kính buồng đốt (Ds)
Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục
giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (VI.40), trang 74,[2]
Ds =

m

(3)

Trong đó:
β - hệ số, thường có giá trị từ 1,3 đến 1,5. Chọn β = 1,4
dn = 0,032 m – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
– hệ số sử dụng vỉ ống, thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9. Chọn = 0,8
l = 1 m – chiều dài của ống truyền nhiệt
Dnth = 0,219 m – đường kính của ống tuần hoàn trung tâm
α = 60o – góc ở đỉnh của tam giác đều
F = 8,72 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt
(3) ⇒ Ds=

= 0,577 m
Chọn Ds = 600 mm theo tiêu chuẩn trang 325,[5]
Kiểm tra lại diện tích bề mặt truyền nhiệt:
Phân bố 127 ống truyền nhiệt theo hình 6 cạnh như sau:

13


Số hình lục giác
Số ống trên đường xuyên tâm

6
13

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân
Tổng số ống của thiết bị

127
127

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác bằng ống tuần hoàn trung
tâm. Theo công thức V.140, trang 49, [2]
D = t.(b-1) + 4.d, m
Trong đó: t- bước ống t = 1,2- 1,5d. Chọn t = 1,3d
b = . Chọn b = 3
Số ống truyền nhiệt được thay thế: n = ống
Số ống truyền nhiệt còn lại: n’ = 127 – 7 = 120 ống
Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F’ = m2 > 8,72 m2 thỏa yêu cầu.
4.2.2 Tính kích thước buồng bốc

4.2.2.1 Đường kính buồng bốc (Db)
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:
Vh = = = 0,3025 m3/s
Trong đó:
W – suất lượng hơi thứ (kg/h)
= 0,3162 kg/m3 là khối lượng riêng của hơi thứ ở p0 = 0,524 at ( tra bảng I.251,trang
314 , [1])
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc:
h = = = (m/s)
Dựa vào chuẩn số Archimedes:
Ar =
Vì 3,6 < Ar < 84000 ⇒ chế độ lắng quá độ
Tốc độ lắng: được tính theo công thức
=
= 1,5383 m/s
Ta có:
 = 970,6 kg/m3 – khối lượng riêng của giọt lỏng (tra bảng I.249, trang 311,[1])
 = 0,3162 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở po= 0,524at
 d – đường kính giọt lỏng; m. Chọn d = 0,0003 m (trang 326, [5])
 = 0,0165.10-3 Pa.s - độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,524at (tra hình
VI, trang 79, [8])
Áp dụng điều kiện wh (0,7 ÷ 0,8)wo theo trang 326, [5]:
Chọn wh 0,7.wo
⇒ 0,7
⇒ Db 0,598 m
14


Chọn Db = 800 mm theo tiêu chuẩn trang 327, [5]
4.2.2.2 Chiều cao buồng bốc (Hb)

Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]: Utt = f.Utt(1 at), m3/(m3.h)
Trong đó:
f – hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển
Utt(1 at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at
Chọn Utt(1 at) = 1600 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2])
⇒ Utt = 1,11600 = 1760 m3/(m3.h)
Thể tích buồng bốc:
Vb = = = 0,619 m3
⇒ Chiều cao buồng bốc : Hb = = = 1,23 m
Nhằm mục đích an toàn, ta chọn Hb = 1,5 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt).
4.2.2.3 Tính kích thước các ống dẫn
Đường kính của các ống được tính tổng quát theo công thức (VI.41), trang 74, [2]
d=
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

15


Loại ống dẫn

Gs, kg/s

Chọn ,
, kg/m3
m/s

,m

Quy chuẩn
mm
dt

dn
20

Ống nhập liệu

524,15

1048,31

1,5

0.0108

15

Ố ng tháo liệu

179,71

1153,31

1,5

0,00743

20

Ống dẫn hơi đốt

0,111

1,107

20

0,0798

80

Ống dẫn hơi thứ

344,44

0,3162

20

0,1388

250

273

Ống dẫn nước ngưng

0,037

943

0,75

0,0081

10

15

10

15

Ống dẫn khí không ngưng

16

25
89


5.

TÍNH

BỀN

CƠ

KHÍ

CHO

CÁC

CHI

TIẾT

CỦA

THIẾT

BỊ

CÔ

ĐẶC

5.1 Tính cho buồng đốt
5.1.1 Sơ lược về cấu tạo
Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 1000 mm
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
5.1.2 Tính toán
Bề dày tối thiểu S’:
Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 2 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:
pm = 2 at = 0,196 N/mm2

Áp suất tính toán là:
Pt = pm + ρgH = 0,196 + 1153,319,8110-61 = 0,2073 N/mm2
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 119,6oC vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:
ttt = tD + 20 = 119,6 + 20 = 139,6oC (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]* = 118 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]* = 0,95.118 = 112,1 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: = = 513,72 > 25
Theo công thức 5-3, trang 96, [7]:
S = = = 0,584 mm
Bề dày thực S:
Dt = 600 mm ⇒ Smin= 3 mm > 0,584 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 3 mm
(theo bảng 5.1, trang 94, [7])
Chọn hệ số ăn mòn hoá 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 = 0,22 mm (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 = 3 + 1,22 = 4,22 mm. Chọn S = 5 mm
Kiểm tra bề dày buồng đốt:Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:
= = 0,0067 < 0,1 (thỏa yêu cầu)
Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
[P] = = = 1,4105 N/mm2 > 0,2073 N/mm2
Vậy bề dày buồng đốt là 5 mm.
17


⇒ Đường kính ngoài của buồng đốt: Dn = Dt + 2S = 600 + 25 = 610 mm

5.2 Tính cho buồng bốc

5.2.1 Sơ lược về cấu tạo
Buồng bốc có đường kính trong là Db = 800 mm, chiều cao Hb= 1500 mm
Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
5.2.2 Tính toán
Bề dày tối thiểu S’:
Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài.
Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,524at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài
Pn = pa = 1at = 0,098 N/mm2
Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 81,9oC vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:
ttt = 75,4 + 20 = 101,9oC (có bọc lớp cách nhiệt)
Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [7], hàn 1 phía)
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
[σ]* =122 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]* = 0,95122 = 115,9 N/mm2
Tra bảng 2.12, trang 34, [7]:
Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05105 N/mm2 (bảng 2.12, trang 34, [7])
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]*.nc = 1221,65 = 201,3N/mm2
Áp dụng công thức 5-14,trang 98,[7]:
S’ = 1,18D.= 1,18800= 4,192 mm
Bề dày thực S:
Dt = 800 mm ⇒ Smin= 3 mm < 4,192 mm ⇒ chọn S’ = 4,192 mm ( bảng 5.1,trang 94, [7])
Chọn hệ số ăn mòn hoá 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 = 0,5 mm
(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 = 4,192 + 1,5 = 5,692 mm ⇒ Chọn S = 6 mm
Kiểm tra bề dày buồng bốc:
= = 2,75
18


Kiểm tra công thức 5-15,trang 99,[7]
2,75
0,0533,67 18,56 (thỏa yêu cầu)
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:
So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99,[7]:
[pn] = 0,649. Et.Pn.
0,6492,05.1050,098
0,159 N/mm2
0,098 N/mm2 (thỏa yêu cầu)
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Xét: L = 2200 mm ≤ 5D = 5800 = 4000 mm
Lực nén chiều trục lên buồng bốc:
Pnct = = = 50749,06 N
Theo điều kiện 5-33, trang 103, [7]
2580 250
Tra qc = f. ở [7] trang 103 ⇒ qc = 0,0788
⇒Kc = 875.. qc = 875 0,0788 = 0,0677
Điều kiền thỏa mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [7]):
S – Ca
 (6 - 1)
5 1,163 (thỏa yêu cầu)
Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [7]:

= = = 4,008 N/mm2
Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [7]
[] = . = 0,06772,05105 = 86,74 N/mm2
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]:
+ 1  + = 0,662 1 (thỏa)
Vậy bề dày buồng bốc là 6 mm
⇒ Đường kính ngoài của buồng bốc: Dn = Dt + 2S = 800 + 26 = 812 mm
5.3 Tính cho đáy thiết bị
19


5.3.1 Sơ lược về cấu tạo
Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt= 600 mm
Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60o
Tra bảng XIII.21, trang 394, [2]
Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 544 mm
Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,071 m3
Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu và 1 lỗ để gắn vòi thử sản phẩm
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
5.3.2 Tính toán
Chiều cao phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt H c
Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc.
Tổng thể tích của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài:
V1 = = = 0,096 m3
Thể tích của phần đáy nón:
V2 = Vđ = 0,071 m3
Với đường kính trong của ống nhập liệu là 20 mm, tốc độ nhập liệu được tính lại:
Vnl = = = 0,272 m/s

Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm
v’= = = 0,00226 m/s
Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị
= = = = 3062,60 s
Thể tích dung dịch đi vào trong thiết bị:
∑V = Vs . = . = . = = 0,773 m3
Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt:
V3 = ΣV – V1 – V2 = 0,773 – 0,096 – 0,071 = 0,609 m3
Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là Hgc = 40 mm.
⇒ Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt: Vgc = = = 0,011 m3
⇒ Thể tích của phần hình nón cụt: Vc V3 Vgc0,609 0,011 0,598 m3
⇒ Chiều cao của chất lỏng phần hình nón cụt:
Hc = = = 1,543 m. Chọn Hc =1600 mm
Bề dày thực S:
Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:
H’ = Hc + Hgc + Hbđ + Hđ
= 1600 + 40 + 1000 + (40 + 544) = 3224 mm = 3,224 m
Trong đó:
20


Hc – chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt, m
Hgc – chiều cao của chất lỏng trong phần gờ nối với buồng đốt, m
Hbđ – chiều cao của chất lỏng trong buồng đốt, m
Hđ – chiều cao của chất lỏng trong đáy nón, m
Áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị
ptt = ρdd.g.H’ = 1153,319,813,22410-6 = 0,036 N/mm2
Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 0,524 at < 1at nên chịu áp suất ngoài là 1at =
0,098 N/mm2.
Ngoài ra, đáy còn chịu áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị. Như vậy,

áp suất tính toán là: Pn = pm + ptt = 0,098 + 0,036 = 0,134 N/mm2
Các thông số làm việc:
Dt = 600 mm
p0 = 0,524 at = 0,051 N/mm2
tm= tsdd(po + 2Δp) = 83,88 oC
Các thông số tính toán:
L’ – chiều cao tính toán của đáy, m
L’ = H = 544 mm
D’ – đường kính tính toán của đáy, m (công thức 6-29, trang 133, [7])
= = = 625,84 mm
Trong đó:
dt = 20 mm – đường kính trong bé của đáy nón (đường kính của ống tháo liệu)
Pn = 0,134 N/mm2
tt = 83,88 + 20 = 103,88 oC (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
Các thông số cần tra và chọn:
[σ]* = 122 N/mm2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt (hình 1-2, trang 16, [7])
η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
[σ] = η.[σ]* = 0,95122 = 115,9 N/mm2 - ứng suất cho phép của vật liệu
Et= 2,05.105 N/mm2 – module đàn hồi của vật liệu ở tt (bảng 2-12, trang 34, [7])
nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [7])
= nc.[σ]* = 1,65122 = 201,3 N/mm2 – giới hạn chảy của vật liệu ở t t (công thức1-3, trang
13, [7])
Chọn bề dày tính toán đáy S = 5 mm bằng bề dày của buồng đốt.
Kiểm tra bề dày đáy:
= = 0,869
Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [7]
0,869
21

0,89 15,76 (thỏa yêu cầu)
Kiểm tra công thức 5-16, trang 99, [7]
 441 (thỏa yêu cầu)
Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:
So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99, [7]

[pn] =Pn
Pn

0,499 N/mm2 0,134 N/mm2 (thỏa yêu cầu)
Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Pnct = = = 39161,05 N
Trong đó:
Dn – đường kính ngoài, mm
Pn – áp suất tác dụng lên đáy thiết bị, N/mm2
Lực nén chiều trục cho phép: [P] = π.Kc.Et.(S-Ca)2.cos2α
Trong đó: Kc – hệ số phụ thuộc vào tỷ số , tính theo công thức trang 103, [7]
2575 250 ⇒ qc = 0,074
⇒ Kc = 875 qc = 875 0,074 = 0,063
⇒ [P] = π.Kc.Et.(S-Ca)2.cos2α
= π0,0632,05105(5– 1)2cos230
= 486884,02 N > 23241,95 N (thỏa yêu cầu)
Điều kiện ổn định của đáy:

+ 1
+

= 0,348 1 (thỏa yêu cầu). Vậy bề dày của đáy là 5 mm

5.4 Tính cho nắp thiết bị

5.4.1 Sơ lược về cấu tạo
Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn Dt = 800 mm ⇒ = 200 mm và Rt = Dt = 800 mm
Nắp có gờ và chiều cao gờ là hg = 40 mm
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
5.4.2 Tính toán

Bề dày thực S:
Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là p 0 = 0,524 at nên chịu áp suất
ngoài là 1 at = 0,098 N/mm2
Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là t t = 82,3 + 20 = 102,3oC (nắp có bọc
22