THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH

MỤC LỤC
MỘT SỐ KHÁI NIỆM ....................................................................................... 2

I.

1. Cô đặc .................................................................................................................. 2
2. Thiết bị cô đặc ..................................................................................................... 2
3. Nhiệm vụ báo cáo................................................................................................ 4
4. PD 5500 ................................................................................................................ 4
II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH ................................. 5
III.

TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC .... 6

1.Thông số ban đầu................................................................................................. 6
2. Tính cho buồng đốt............................................................................................ 6
2.1. Thông số công nghệ ...................................................................................... 6
2.2. Tính toán ....................................................................................................... 6
3. Tính cho buồng bốc ........................................................................................... 7
3.1. Thông số công nghệ ..................................................................................... 7
3.2. Tính toán ...................................................................................................... 7
4. Tính cho nắp thiết bị .......................................................................................... 8
4.1 Thông số công nghệ ....................................................................................... 8
4.2 Tính toán ........................................................................................................ 8
5. Tính cho đáy thiết bị........................................................................................... 8
5.1 Thông số công nghệ ....................................................................................... 8
5.2 Tính toán ........................................................................................................ 9
6. Tính mặt bích ...................................................................................................... 9
6.1 Thông số công nghệ ....................................................................................... 9
6.2 Chọn mặt bích ............................................................................................... 9
7. Tính vỉ ống ......................................................................................................... 11

7.1.Thông số công nghệ ..................................................................................... 11
7.2 Tính toán ...................................................................................................... 11
IV.

KẾT LUẬN..................................................................................................... 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 15
CHÚ THÍCH .............................................................................................................. 15

1


I.

MỘT SỐ KHÁI NIỆM:

1. Cô đặc:
- Là quá trình đun sôi dung dịch, làm bay hơi 1 phần dung môi trong dung dịch để
thu được dung dịch đậm đặc hơn dung dịch ban đầu, dung môi tách dung dịch
bay lên trên gọi là hơi thứ.
- Có 2 phương pháp cô đặc:
+ Phương pháp nhiệt
+ Phương pháp lạnh
2. Thiết bị cô đặc:
- Phân loại thiết bị cô đặc:
+ Theo cấu tạo: đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức
+ Theo phương thức thực hiện quá trình: cô đặc áp suất thường, cô đặc áp suất
chân không, cô đặc nhiều nồi và cô đặc liên tục.

Hình minh họa: Hệ cô đặc bốn nồi ngược chiều

2


-

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

+ 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 không ngưng.

(*1)

+ 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.

3


 Các van
 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…
(*2)

1: Thùng chứa dung dịch

7: Bơm dung dịch

2: Buồng đốt

8: Bơm nước

3: Thiết bị cô đặc

9: Bồn cao vị

4:Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng

10: Thùng chứa nước ngưng tụ

5: Thùng chứa nước

11: Lưu lượng kế

6: Thùng chứa hơi nước

12: Thùng chứa sản phẩm
13: Thùng tháo nước ngưng

3. Nhiệm vụ báo cáo:
Tính toán tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc chân không dung dịch NaOH theo tiêu
chuẩn PD 5500.
4. PD 5500:
- PD 5500 "Quy cách cho các bình áp suất không hàn, hàn nhiệt" là một bộ quy
tắc thực hiện cung cấp các quy tắc cho việc thiết kế, chế tạo và kiểm tra các thiết
bị áp lực

4


-

-

-

-

-

PD 5500 trước đây là một tiêu chuẩn Anh được sử dụng rộng rãi gọi là BS 5500,
nhưng đã bị rút khỏi danh sách các Tiêu chuẩn Anh vì nó không được hài hoà
với Chỉ thị Thiết bị Áp lực Europeran (97/23 / EC). Tại Vương quốc Anh, nó đã
được thay thế bằng EN 13445. Nó hiện đang được xuất bản như một "tài liệu
xuất bản" (PD) của Cơ quan tiêu chuẩn Anh
Là công cụ tham khảo vô giá cho việc thiết kế và đánh giá các thiết bị áp lực
Chỉ định các yêu cầu về vật liệu, thiết kế, sản xuất, kiểm tra, kiểm tra và xác
minh
Cung cấp cơ sở cho việc thiết kế và sản xuất cho Chỉ thị Thiết bị Áp lực (PED).

II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH:
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật để lựa
chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần
hoàn trung tâm. Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa
chữa.
Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí
năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị
(làm hư thiết bị).
Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ
(vỉ ống tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp.
Sơ đồ quy trình thiết kế thiết bị cô đặc:

Quy trình thiết kế cơ khí

5


III.

TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:

1.Thông số ban đầu:
- Năng suất nhập liệu: 1 m3/h
- Nồng độ đầu: 18% khối lượng
- Nồng độ cuối: 30% khối lượng
- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất: 4,76 at
- Áp suất ngưng tụ: pck = 0,7 at => pc = 1 – 0,7 = 0,3 at
- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30 0C.
2. Tính cho buồng đốt:
2.1. Thông số công nghệ:
- Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 1500mm
- Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng
- Vật liệu chế tạo là thép 304, có bọc lớp cách nhiệt.
2.2. Tính toán:
- Hơi nước bão hoà có áp suất 4,76 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:
Pm = PD – Pa = 4,76 – 1 = 3,76 at = 0,369 N/
-

-

Tại áp suất 4,76 at, ta tra được nhiệt độ của hơi đốt (hơi bão hòa) vào là tD = 150
°C ( Phụ lục 2-trang 212, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu
Hiếu)

Vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:
ttt = tD + 20 = 150 + 20 = 170°C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

-

Ứng suất thiết kế của vật liệu ở ttt là:

f = 124 N/
Nguyễn Hữu Hiếu)

(theo bảng 4.2/trang 37, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực,

 Bề dày tối thiểu e =

(công thức 5.1 trang 15, sách Thiết kế cơ khí thiết bị

Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu)
Với J là hệ số bền mối hàn, chọn mối hàn giáp mối 1 phía, tra bảng phụ lục 4
trang 275, ta có J = 0,65
Vậy e tối thiểu =
-

= 1,377 mm

Dung sai ăn mòn là 2mm nên
e thực = e tối thiểu + 2mm = 1,377 + 2 = 3,377 mm

6

Vậy chọn bề dày buồng đốt là 4mm
 Đường kính ngoài = 2x4mm + 600 = 608mm
Vậy chọn thép 304 dạng tấm có bề dày 4mm để làm buồng đốt
3. Tính cho buồng bốc
3.1. Thông số công nghệ:
- Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 800 mm, chiều cao Ht = 2000 mm
- Thân có 5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 2 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 304, có bọc lớp cách nhiệt.
3.2. Tính toán
- 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 0,7 at, buồng bốc chịu áp suất ngoài là:
Chọn Pn = 1at = 0,0981 MPa
-

Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 90oC, vậy nhiệt độ thiết kế của buồng bốc là:
Ttk = 90 + 20 = 110°C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt).

-

Tra bảng phụ lục 5 trang 277, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu
Hiếu nhóm G ta có module đàn hồi E = 27,3x106 psi = 191,45x103 MPa

-

Chiều dài hiệu dụng h =
H t ’ = Ht –

-

= 0,2m

= 2 – x0,2 = 1,73m

Bề dày tối thiểu theo Hồ Lê Viên :
t min = 1,18.D.(

-

=

)0,4 = 1,18x800.(

)0,4 = 3,9156 mm

Dung sai ăn mòn là 2 mm
 t = 3,9156 + 2 mm = 5,9156 mm
 t thực = 6 mm

Vậy chọn bề dày buống bốc là 6 mm
-

Kiểm tra : Áp suất tối đa cho phép Pc = 2,2.E.( )3 (công thức 5.7 trang 47)
=2,2x191,45x103x(

)3=0,1699 MPa > 0,0981MPa

Vậy chọn thép 304 dạng tấm có bề dày 6mm để làm buồng bốc.

7

4. Tính cho nắp thiết bị:
4.1 Thông số công nghệ:
- Chọn nắp ellipse tiêu chuẩn Dt = 800mm (không hàn).
→ chọn chiều cao của nắp từ đường tiếp tuyến lên đỉnh : h = 200mm
- Nắp có 1 lỗ để thoát hơi thứ
- Vật liệu chế tạo là thép 304.
4.2 Tính toán:
- Nắp làm việc với áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là Po = 0,7 at
nên chịu áp suất ngoài:
Chọn Ptk= 1at = 0,0981N/mm2
- Nhiệt độ hơi thứ ra : 90oC
- Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là:
ttt = 90 + 20 = 110°C (nắp có bọc lớp cách nhiệt)
-

Tra bảng 4.2 trang 37 suy ra ứng suất f thiết kế = 148 N/mm2
Tra bảng phụ lục 5 trang 277, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu
Hiếu nhóm G ta có E = 187,22.103 N/mm2
Nắp elip chuẩn 2:1
Bán kính cong tối đa: RS = a2/b = 824,18 mm
(2a = trục lớn = D, a = 812/2 = 406mm
2b = trục nhỏ = 2h suy ra b = h = 200mm ( chọn h = 200mm )

-

Bề dày nắp : e = 4RS√

=4x824,18x√

= 2,39mm (công thức 5.23

trang 58)
- Dung sai ăn mòn là 2mm
 e thực = 2,39 + 2 = 4,39mm
Vậy chọn bề dày nắp là 6 mm. ( Để thuận lợi cho việc chế tạo)
5. Tính cho đáy thiết bị:
5.1 Thông số công nghệ:
- Chọn đáy nón Dt = 600mm.
- Chiều cao h=120 mm
- Đáy có 1 lỗ để thoát sản phẩm
- Vật liệu chế tạo là thép 304.

8


5.2 Tính toán:
- Đáy làm việc ở điều kiện chân không, nên đáy chịu áp suất ngoài
Chọn P = 1 at = 0,0981 N/mm2
- Ptk= P = 0,0981 N/mm2
- Đường kính ngoài của thân: D ngoài = 600 + 2 x 4 = 608 mm
- T thiết kế = Tmax= 110oC, f = 145 N/mm2 (tra bảng 4.2 trang 37, sách Thiết kế cơ
khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu).
- Chọn nửa góc ở đỉnh nón là α = 30°
 Hệ số thiết kế Cc = 1,35. ( trang 56, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực,
Nguyễn Hữu Hiếu)
- Chọn mối hàn giáp mối một phía => hệ số bền mối hàn J = 0,65 (tra bảng phụ
lục 4 trang 275).
Bề dày tối thiểu e =

-

=

= 0,422 (mm)

Dung sai ăn mòn là 2mm
 e thực = 0,422 + 2 = 2,422 mm
Đáy nón được gắn trực tiếp với buồng đốt mà buồng đốt có bề dày là 4mm
nên để thuận lợi cho việc chế tạo ta chọn bề dày đáy là 4mm

6. Tính mặt bích:
6.1 Thông số công nghệ:
- Bu lông và bích được làm từ bằng thép 304
- Mặt bích ở đây được dùng để nối nắp của thiết bị với buồng bốc, buồng bốc với
buồng đốt và buồng đốt với đáy của thiết bị. Chọn mặt bích có đệm nằm trong
vòng bu lông.
6.2 Chọn mặt bích:
Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt:
-

Buồng đốt và buồng bốc được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 600
mm
Áp suất thiết kế của buồng đốt là 0,363 N/mm2
Áp suất thiết kế của buồng bốc là 0,0981 N/mm2

9


Hình: Mặt bích thép có cổ hàn ở

áp suất danh nghĩa 6 bar (1 bar
= 105 N/m2). (*)

 Chọn mặt bích thép có cổ hàn ở áp suất danh nghĩa 6 bar.
- Các thông số của bích được tra từ bảng PL 7.1, phụ lục 7, trang 314 sách Thiết
kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu.
Kích
thước
danh
nghĩa
600

Đường
kính
Mặt bích
ngoài
ống,
D b h1
d1
609,6 755 24 70

Bề mặt
được
nâng
d4

f

670

5

Khoan lỗ

Bu
lông
M24

Cổ

Số

d2

k

d3

h2≈

r

20

26

705

640

16

12

Mặt bích nối buồng đốt và đáy:
Buồng đốt và đáy được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 600 mm
Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,363 N/mm2
Áp suất tính toán của đáy là 0,0981 N/mm2
 Chọn mặt bích thép có cổ hàn ở áp suất danh nghĩa 6 bar
- Các thông số của bích được tra từ bảng PL 7.1, phụ lục 7, trang 314, sách Thiết
kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu.
-

Kích
thước
danh
nghĩa
600

Đường
Mặt bích
kính
ngoài
ống,
D b h1
d1
609,6 755 24 70

Bề mặt
được nâng

d4

f

670

5

Khoan lỗ
Bu
lông
M24

Cổ

Số

d2

k

d3

h2≈

r

20

26

705

640

16

12

10


Mặt bích nối nắp và buồng bốc:
Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng bốc Dt = 800 mm
Áp suất thiết kế của buồng bốc và nắp cùng là 0,0981 N/mm2
 Chọn mặt bích thép có cổ hàn ở áp suất danh nghĩa 6 bar.
- Các thông số của bích được tra từ bảng PL 7.1, phụ lục 7, trang 314, sách Thiết
kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu.
-

Kích
thước
danh
nghĩa
800

Đường
Mặt bích
kính
ngoài

ống,
D b h1
d1
812,8 975 24 70

Bề mặt
được nâng
d4

f

880

5

Khoan lỗ
Bu
lông

Cổ

Số

d2

k

d3

h2≈

r

24

30

920

842

16

12

M27

7. Tính vỉ ống:
7.1.Thông số công nghệ:
- Chọn vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị
- Vỉ ống phải giữ chặt các ống truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất
- Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong
- Vật liệu chế tạo là thép 304

7.2 Tính toán:
- Áp suất thiết kế vỉ ống là 4,76 at = 0,4668 N/mm2.
- Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là tt = tD = 150°C
- Ứng suất cực đại cho phép của vật liệu ở tt là fp = 130,24 N/mm2 (tra bảng 4.2
trang 37, sách Thiết kế cơ khí thiết bị Áp lực, Nguyễn Hữu Hiếu).
-

Hệ số ràng buộc λ=

=

= 0,384

Với:

11


 ph : bước lỗ
 dh : đường kính lỗ
Bề dày vỉ tối thiểu để chống lại sự uốn:

-

tp = CphDp√

= 0,3x600x√

=17,39 mm (công thức 11.3 trang 122)

Với:

: áp suất thiết kế vỉ ống hiệu dụng
 Cph: hệ số thiết kế (chọn = 0,3)
 Dp : đường kính vỉ = đường kính buồng đốt
Bề dày tối thiểu để chống lại lực cắt

tp =

=

= 17,3 mm (công thức 11.4 trang 123)

Với:

-

 τp : ứng suất cắt cho phép tối đa (lấy bằng một nửa ứng suất cho phép tối
đa)
Dựa vào bảng 11.1 trang 123, chọn bề dày thiết kế vỉ ống (với đường kính ngoài
của ống truyền nhiệt: 29mm) là 22 mm.

12


IV.

KẾT LUẬN:
Đơn vị

Buồng đốt
Đường kính trong
Đường kính ngoài
Chiều cao
Bề dày buồng đốt
Thân

Vật liệu
Đường kính trong
Chiều cao
Bề dày buồng bốc
Thân
Dưới buồng bốc
Vật liệu

Hình dạng
Đường kính trong
Chiều cao
Bề dày nắp
Bán kính cong tối đa (RS)
Vật liệu

Hình dạng
Đường kính trong
Chiều cao
Bề dày đáy
Bán kính cong tối đa (RS)
Vật liệu

600

mm

608

mm

1500
4
3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước
ngưng, xả khí không ngưng
Thép 304, có bọc lớp cách nhiệt
Buồng bốc
800
2000
6
5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa
sửa chữa và 2 kính quan sát
Phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt
thép 304, có bọc lớp cách nhiệt
Nắp thiết bị
Ellipse tiêu chuẩn 2:1
Có 1 lỗ để thoát hơi thứ.
800
200
6
824,18
thép 304
Đáy thiết bị
Nón tiêu chuẩn 2:1
Có 1 lỗ để thoát sản phẩm.
600
120
4
770,1
thép 304

mm
mm

mm
mm
mm

mm
mm
mm
mm

mm
mm
mm
mm

Mặt bích
Vật liệu
Thép 304
Mặt bích nối giữa buồng bốc và buồng đốt

13


Kích Đường
Mặt bích
thước kính
danh ngoài
D b h1

nghĩa
ống,
d1
600
609,6 755 24 70

Bề mặt
được nâng
d4
f

Bu
lông

670

M24

5

Khoan lỗ

Cổ

Số

d2

k

d3

h2≈

r

20

26

705

640

16

12

Mặt bích nối buồng đốt và đáy
Kích Đường
Mặt bích
Bề mặt
Bu
Khoan lỗ
Cổ
thước kính
được nâng lông
danh ngoài
D b h1
d4

f
Số
d2
k
d3
h2≈
r
nghĩa
ống,
d1
600
609,6 755 24 70 670
5
M24 20
26
705 640 16 12
Mặt bích nối nắp và buồng bốc
Kích Đường
Mặt bích
Bề mặt
Bu
Khoan lỗ
Cổ
thước
kính
được
lông
danh
ngoài
nâng

nghĩa ống, d1
D
b h1 d4
f
Số
d2
k
d3
h2≈ r
800
812,8
975 24 70 880 5
M27
24
30
920 842
16 1
2
Vỉ ống
Vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân
Hình dạng
thiết bị.
Đường kính ống
29
mm
Bề dày vỉ
22
mm
Đường kính lỗ
0.025

mm
Vật liệu
thép 304

14


TÀI LIỆU THAM KHẢO:
 Nguyễn Hữu Hiếu, Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực, NXB Đại học quốc gia TP.
Hồ Chí Minh, 2017.
CHÚ THÍCH:
(*): trích từ trang 313, phụ lục 7, hình PL7.1, quyển Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực,
tác giả Nguyễn Hữu Hiếu, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2017.
(*1): trang web có 1 số video mô phỏng các quy trình
/>(*2): trang web cộng đồng chia sẻ 1 số thiết bị được vẽ bằng cad hoặc solidworks
/>
15