Đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nacl 1 nồi liên tục năng suất 3000 kg trên giờ

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
Thiết kế hệ thống cô đặ c dung dịch NaCl, 1 nồi, liên tục.
Yêu cầu thiết kế:
- Năng suất sản phẩm: 3000 kg/h.
- Nồng độ nhập liệu:
10%kl
- Nồng độ sản phẩm:
20%kl
- Aùp suất hơi đốt:
3 at
- Aùp suất ngưng tụ:
0.3 at
II. CHỌN LỰA CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ:
2.1. Sơ lượ c về nguyên liệu:
Dung dịch NaCl không màu, có vị mặn.
Tinh thể NaCl dễ tan trong nước, độ tan ít thay đổi theo nhiệt độ.
Ở 100 0C dung dịch bão hòa là 28.15%, ở 20 0C là 26.4%
Nhiệt độ sôi của dung dịch muối ăn là 109 0C
Dung dịch NaCl được dùng để sản xuất NaOH và các hợp chất có chứa Clo, ngoài
ra NaCl còn được dùng làm chất tải lạnh.
2.2. Phân loại thiết bị công nghệ:
Nhóm 1: Dung dịch đượ c đố i lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên. Thiết bị dạng này
dùng để cô đặ c các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đả m bảo sự tuần hoàn tự nhiên
của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡ ng bức hay tuần hoàn cưỡ ng bức. Thiết bị trong
nhóm này dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đượ c sự bám cặn hay
kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.

Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngượ c lên hay xuôi
xuống. Thiết bị dạng này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền
nhiệt 1 lần để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của
dung dịch.
Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có
ống tuần hoàn hay không. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch mà
ta có thể sử dụng chế độ cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất thường hay áp suất
dư.
2.3. Lựa chọn thiết bị cô đặc:
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 1


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 1 nồi, làm việc liên tục, áp suất
chân không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
- Thiết bị cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa.
- Cô đặ c ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm đượ c chi
phí năng lượ ng, hạn chế không cho NaCl bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết
bị, làm hư thiết bị.
- Tuy nhiên tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp.
III. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:
Nguyên liệu đầu tiên là NaCl có nồng độ 10%, nhiệt độ 250C được bơm từ bồn chứa
vào thiết bị gia nhiệt với suất lượng 6000 kg/h để gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi là
73.590C.
* Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổ 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 vĩ ống và vĩ ống được hàn dính vào thân. Hơi nước bão hòa có

áp suất 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch được bơm vào thiết bị, đi bên trong
ống, từ dưới đi lên. Hơi nước bão hòa sẽ ngưng tụ trên các bề mặt ngoài của ống và
cấp nhiệt cho dung dich nâng nhiệt độ của dung dịch lên đến nhiệt độ sôi.
Dung dịch sau khi được gia nhiệt, sẽ được đưa vào thiết bị cô đặc, gồm có 3 phần
chính.
* Buồng đốt: Bộ phận nhận nhiệt là dàn ống, gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí
theo đỉnh hình tam giác đề u, các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống. Trong đó, hơi đốt
sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển độ ng
bên trong ống. Dung dịch đi bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đố t
ngưng tụ cung cấp và sẽ sôi, làm hóa hơi một phần dung môi. Điều kiện cần thiết để
quá trình truyền nhiệt xảy ra là phải có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đố t và dung
dịch.
Hỗn hợp hơi lỏng đi qua khỏi dàn ống đến buồng bốc.
* Buồng bốc: Là phần không gian rộng lớn để tách hỗn hợp lỏng hơi thành 2
dòng, dòng hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ phận phân ly, dung dịch còn lại
sẽ được hoàn lưu trở lại. Nhờ lưc trọng trường, các hạt chất lỏng to sẽ rơi xuống, tách
khỏi dòng hơi thứ và chảy xuống dưới, dòng hơi thứ tiếp tục đi lên.
* Bộ phận phân ly: Trong quá trình bốc hơi dung dịch, dòng hơi thứ được tạo
thành khi tách khỏi bề mặt dung dịch luôn kéo theo 1 lượng nhất định các hạt lỏng,
gây tổn thất dung dịch. Do đó, nhiệm vụ của bộ phận phân ly là phải tách các hạt chất
lỏng dung dịch còn lại ra khỏi hơi thứ.
Dung dịch sau khi ra khỏi nồi cô đặc đạt đến nồng độ 20% được bơm vào bốn chứa.
Hơi thứ có áp suất 0.314 at được tách lỏng rồi đi đến thiết bị ngưng tụ.
* Thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Chất làm lạnh
ớ
là nư c đượ c đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào mâm
cuối của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nướ c giải nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành lỏng
rơi xuống trở lại, khí không ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bình tách. Khi
ngưng tụ chuyển từ hơi thành lỏng thì thể tích của hơi sẽ giảm, làm áp suất giảm, do

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 2


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

đó tự bản thân thiết bị áp suất sẽ giảm. Vì vậy thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ổn
định chân không, nó duy trì áp suất chân không trong hệ hệ thống.
* Bình tách là một vách ngăn, có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn
theo dòng khí không ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng
sẽ đượ c bơm chân không hút ra ngoài.
* Quá trình tách nướ c ra khỏi khí không ngưng để tránh trườ ng hợp nướ c bị
hút vào bơm chân không gây va đập thủy lực. Aùp suất làm việc của thiết bị Baromet
là áp suất chân không, do đó nó phải được lắp đặ t ở một độ cao cần thiết để nước
ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm
* Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngoài để tránh
trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm cho áp suất
của thiết bị ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi cô đặc.

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 3


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG:

Ký hiệu
G
W
D
x
i
rD
c
Qtt
QD
p
p
t
t
tsdd
tsdm
th.i

'
"
'''

H0
Hop
“c”
“o”
“D”
“đ”
“c”

Đơn vị
kg/g, kg/s
kg/g, kg/s
kg/g, kg/s
%kl
kj/kg
kj/kg
kj/kgđộ
kj/kg
kj/kg
at
at
0
C
0
C
0
C
0
C
0
C
%
0
C
0
C
0
C
0

C
m
m
Ngưng tụ
Hơi thứ
Hơi đốt
Đầu
Cuối

Ý nghĩa
Lưu lượng dung dịch
Lưu lượng hơi thứ
Lưu lượng hơi đốt
Nồng độ khối lượng
Entanpi
Nhiệt hóa hơi của hơi đốt
Nhiệt dung riêng
Nhiệt lượ ng tổn thất
Nhiệt lượng hơi đốt
Aùp suất
Chênh lệch áp suất
Nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ
Nhiệt độ sôi dung dịch
Nhiệt độ sôi dung môi
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích
Độ ẩm hơi đố t
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Tổn thấ t0 do cột thủy tĩnh
Tổn thất t0 trên đườ ng ống

Tổng tổn thất nhiệt độ
Chiều cao ống truyền nhiệt
Chiều cao chất lỏng theo kính QS

1.1. Cân bằng vật chất:
* Phương trình Cân bằng vật chất:
Gđ = G c + W

(CT 4.1-[4])
(1)

* Lượng hơi thứ
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 4


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu


W  G C  x C  1


 xd


(2)

1.2. Tổn thất nhiệt độ:
Ở áp suất khí quyển pk dung dịch xđ =10% có nhiệt độ sôi t dd =104.88 0 C

Ở nhiệt độ đó áp suất hơi nướ c bão hoà là p2=1.2272 at
* Phương pháp Babo: (CT 5.9-[3])

 p0 
 
p 
 1 t

 pk 

p 
 2 t


1

(3)
ss

p1  tsdd(p0) (Bảng 57-[4])
mà tsdm(p0) = t0
* Tổng thất nhiệt độ do nồng độ:
' = tsdd(p0) – tsdm(p0)

(4)

* Chiều cao thích hợp của mức chất lỏng theo kính quan sát:

H

op



hh





 0.26  0.004   
1
2





dd

dm

H

(5)

0

(6)
dd

* Aùp suất ở lớp trung bình:

p

tb



p

0

(CT4.20-[4])

 p 
0

p

0

 0.5g 

hh

(CT 4.19-[4])

H

(7)

op

ptb  tsdm(ptb) (Bảng 57-[4])
* Độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch do cột thủy tĩnh:
" = tsdm(ptb) - tsdm(p0)

(8)

* Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất trung bình:
tsdd(ptb) = " + tsdd(p0) = " + (tsdm(p0) + ' )

(9)

* Tổn thất nhiệt độ trên đường dẫn hơi thứ: chọn ''' = 1 0C
* Tổng tổn thất nhiệt độ:
 = ' + " + '''
* Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

(10)
(CT 4.23-[4])
Trang 5


í

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

th.i = T -  = tD - tC - 

Thông số

(11)

Ký
hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nồng độ NaCl đầu
Nồng độ NaCl cuối
Năng suất nhập liệu
Năng suất sản phẩm

xđ
xC
Gđ
Gc

Pha lỏng
%kl
%kl
Kg/h
kg/h

10

20
6000
3000

Lương hơi thứ thoát ra
Aùp suất
Nhiệt độ
Entanpi

W
p0
t0
iw

Hơi thứ
Kg/h
at
0
C
Kj/kg

3000
0.314
69.7
2626

pD
tD
rD

Hơi đốt
at
0
C
Kj/kg

3
132.9
2171

Aùp suất
Nhiệt độ
Aån nhiệt ngưng tụ

Nhiệt độ sôi dd áp suất p0
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Aùp suất ở lớp trung bình
Nhiệt độ sôi trung bình dm
Tổn thất t0 do cột thủy tĩnh
Nhiệt độ sôi dd ở áp suất TB
Tổn thất t0 trên đườ ng ống
Tổng tổn thất nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Tổn thất nhiệt độ
0
tsdd(p0)
C
0
C

'
ptb
at
0
ttbdm
C
0
C
"
0
tsdd(p0)
C
0
C
'''
0
C

0
C
th.i

73.59
3.89
0.34
71.38
1.68
75.27
1
6.57

57.629

Ghi chú

(2)
Bảng 56-[4]
Trang 161-[1]

(3)
(4)
(7)
Bảng 57-[10]
(8)
(9)
Chọn
(10)
(11)

1.3. Cân bằng năng lương:
* Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bị:(CT4.15-[4])
tC = tsdd(p0) + 2 " = (tsdm(p0) + ' ) + 2 "

(12)

* Nhiệt dung riêng của dung dịch: (CT4.10-[4])
C = 4190x(1-x%)

(13)

* Phương trình cân bằng năng lượ ng: (CT 4.5b-[4])

QD = GcCctc – GđCđtđ – W x iw+ Qt
Với Qt = 0.05QD
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

(14)
Trang 6


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

* Chi phí hơi đốt cho quá trình cô đặc:

G

D



Q

(15)

D

rx(1  )

* Lượ ng tiêu hao riêng: (CT 4.8-[4])
d 

D

G

(16)

W

Thông số

Nhiệt độ vào BB
Nhiệt độ ra lấy tại đáy BD
Nhiệt dung riêng dd 10%
Nhiệt dung riêng dd 20%
Entanpi hơi thứ
Nhiệt lượng do hơi đốt cung
cấp
Chi phí hơi đố t
Lượng tiêu hao riêng

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Ký
Đơn vị
Giá trị
hiệu
Cân bằng năng lượng
0
tđ
C
73.59

0
tC
C
76.95
xđ
Kj/kgđộ
3771
xC
Kj/kgđộ
3352
iw
Kj/kg
2626
QD
w
2042913
GD
d

Kg/s
Kg/kg

Ghi chú

tđ = tsdd(p0)
(12)
(13)
(14)
Tra ở 69.7 0C
(14)

0.99
1.188

Trang 7


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

II. KÍCH THƯỚ C THIẾT BỊ CHÍNH:
Ký hiệu
q
K
r
H
D
F
d
dtr
n
V
v
Utt
α
t
δ
λ
μ
ρ
β

Đơn vị
w/m2
w/m2 độ
m2 độ/w
m
m
m2
m
m
ống
m3
m/s
m3/m2h
w/m2 độ
m
m
w/mđộ
Ns/m2
kg/m3

Ý nghĩa
Cường độ dòng nhiệt
Hệ số truyền nhiệt tổng quát
Nhiệt trở
Chiều cao thân TB
Đường kính thân TB
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Đường kính ngoài ống truyền nhiệt
Đường kính trong ống truyền nhiệt

Tổng số ống truyền nhiệt
Thể tích thiết bị
vận tốc
Cườ ng độ bốc hơi thể tích
Hệ số cấp nhiệt
Bướ c ống truyền nhiệt
Bề dày ống truyền nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt
Độ nhớt tuyệt đối
Khối lượng riêng
Hệ số dãn nở thể tích

2.1. Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
tm1
T

q2
tT2

tT1
q1
q

t2
tm2

2.1.1. Hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ:



1

 2 . 04 A 4

r
H  t1

với t1= tD – tv1

t

m1



t

D

 t v1
2

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

( V.101-[1])

(17)

(18)
(19)

Trang 8


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

q1 = α1t1

(20)

2.1.2 Nhiệt trở tổng:

R  r1  r 2 




(21)

2.1.3. Hệ số cấp nhiệt phía ống:

d 
3

Tính các chuẩn số

Gr 

Pr 

2





2

c


với t2 = tv2 - tsdd

q2 q

ta có

1



t

2

g

(22)

(23)

(24)

t
R

 t = q1R

(25)

t = tv1 –tv2

(26)

t2 = tv2 - tsdd(p0)

(27)

t

m2



t

v2



t

sdd

(28)

2

Xét GrxPr > 2x107  chảy rối
Nu = 0.135(GrxPr)0.33
(CT 3.57-[4])



2



 Nu
d

(30)

q2 = 2t2
* so sánh
q2  q1
x100%  5%

q

(29)

(31)

(thỏa)

(32)

1

* Thuật toán:
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 9


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Chọn giá trị tv1
Tính các giá trị q1 và q2 , so sánh theo (33)
Nếu không thỏa, ta chọn lại tv1 khác
* Hệ số truyền nhiệt:
K

1
1



 R 
1

(33)

1



2

2.1.4. Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F 

Q
K t
D

(34)
h .i

* Số ống truyền nhiệt:

n

F
dH

(35)

* Bướ c ống t = 1.2÷1.5d
Chọn t = 1.4d

(36)

Thông số

Ký
Đơn vị
Giá trị
hiệu
Hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
0
Nhiệt độ vách ngoài
tv1
C
129.4
0
Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi
C
3.5
t1
đốt và vách ngoài
0
Nhiệt độ trung bình giữa hơi
tm1
C
131.15
đố t và vách ngoài
Hệ số
A
191.345

Aån nhiệt ngưng tụ
r
Kj/kg
2175.9x103
Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ
α1
w/m2độ
9151.47
w/m2

Cường độ dòng nhiệt

q1

32258.53

Nhiệt trở lớp cặn phía trong
Nhiệt trở nước
Bề dày lớp truyền nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của VL
Nhiệt trở tổng

Nhiệt trở tổng
r1
m2độ/w
0.193x10-3
r2
m2độ/w
0.464x10-3
δ

m
0.002
λ
w/mđộ
17.5
2
∑R
m độ/w
0.771x10-3

Ghi chú

Chọn
(18)
(19)
Trang 29-[2]
Bảng 56-[2]
(17)
(20)

Bảng 1-[2]
Bảng 1-[2]
Chọn
(21)

Hệ số cấp nhiệt phía bốc hơi
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 10

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu
0

Chênh lệch t giữa 2 vách
Nhiệt độ vách trong
Chênh lệch nhiệt độ giữa
vách trong và dung dịch
Nhiệt độ tb vách ngoài & dd
Khối lượng riêng
Hệ số dãn nở thể tích
Độ nhớt của dung dịch
Nhiệt dung riêng
Hệ số dẫn nhiệt
Chuẩn số
Chuẩn số
Chuẩn số
Hệ số cấp nhiệt phía bốc hơi

∆t
tv2
∆t2

0

tm2
ρ
β
μ
c

λ
Gr
Pr
Nu
α2

0

Cường độ dòng nhiệt
So sánh
Hệ số truyền nhiệt

q2
K

C
C
0
C

24.87
104.53
29.26

(25)
(26)
(27)

w/m2độ

89.9
1115.05
560x10-3
516x10-3
3875.2
0.6764
29540908
2.949
51.195
1121.933

(28)
Bảng 4-[4]
Bảng 33-[4]
Bảng 9-[4]
Bảng I.154-[1]
Bảng I.130-[1]
(22)
(23)
(29)
(30)

w/m2
%
w/m2độ

32825.15
1.76
564.711

(31)
(32)-Thỏa
(33)

0

C
Kg/m3
Ns/m2
j/kgđộ
w/mđộ

Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Diện tích bề mặt TN
F
m2
62.77
ờ
Đư ng kính trong của ống
dtr
m
0.034
Đường kính ngoài của ống
d
m
0.038
Số ống truyền nhiệt
n
Oáng
263

Số ống truyền nhiệt chuẩn
n
Oáng
271
2
Diện tích bề mặt TN lấy dư
F
m
72

(34)
Chọn
Chọn
(35)
BảngV.11-[2]
Lấy dư 15%

2.2 Kích thước buồng đốt và buồng bốc:
2.2.1. Kích thước buồng đốt:
* Đường kính ống tuần hoàn:

d

s

d

(CT 5.12-[3])

 10

(37)

* Đường kính buồng đốt: (CT 2.90-[3])

D

BD



 d  2 .6 



F
0 . 813 x
dH

ds

 
 2 .6 
 d


2








(38)

Lấy tròn theo chuẩn (Trang 155-[3])

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 11


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

2.2.2. Kích thước buồng bốc:
* Thể tích hơi trong buồng bốc:

V

W



h

(39)



h

Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:
4V

v 



(40)

h
2

D

BB

Chuẩn số Re
Re 



/

vd



(41)

h

h

Vận tốc lắng:(CT 5.4-[3])

v

0

4 g 




   d


'
3

'

(42)



18 . 5

 

Re

(43)

0 .6

Ta có : v < 70% ÷ 80% v0
Thể tích buồng bốc:

V

BB



(44)
(VI.32-[2])

W
U

(45)
tt

Chiều cao buồng bốc:

H

BB



4V


D

(46)

BB
2
BB

Thông số

Đường kính ống trung tâm
Đường kính buồng đốt
Chiều cao buồng đố t

Ký
Đơn vị
hiệu
Buồng đốt
ds
m
DBD
m
HBD

m

Khối lượng riêng hơi thứ
Thể tích hơi thứ trong BB

Buồng bốc
ρh
Kg/m3
Vh
m3/s

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Giá trị

Ghi chú

0.4
1.2
2

(37)
(38)
Chọn

0.19572
4.258

Tra ở 0.314 at
(39)

Trang 12


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Độ nhớt động học hơi thứ
Đườ ng kính giọt lỏng
Vận tốc hơi
Cườ ng độ bốc hơi
Hệ số hiệu chỉnh
Đườ ng kính buồng bốc
Thể tích buồng bốc
Chiều cao buồng bốc

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

μh
d’
v
Utt
fb
DBB
VBB
HBB

2

Ns/m
m
m/s

3
m /m2h
m
m3
m

0.012x10-3
0.0003
0.75v0
1700
0.9
2
10.018
3.2

Tra
Chọn
Chọn
Chọn
Chọn
(40) (42) (44)
(45)
(46)

Trang 13


GVHD: TS.Lê Phan Hồng Chiêu

III. TÍNH BỀN CƠ KHÍ

Ký hiệu
S’
S
D
H
l’
Ca
Cb
C0
ptt
p
η
φh
σ
[σ]

Đơn vò
m
m
m
m
m
m
m
m
N/mm2
N/mm2

Ý nghóa
Bề dày tối thiểu

Bề dày thực
Đường kính
Chiều cao
Chiều dài tính toán
Bổ sung bề dày do ăn mòn
Bổ sung bề dày do bào mòn
Bổ sung bề dày quy tròn
p suất thủy tónh
p suất tính toán
Hệ số hiệu chỉnh
Hệ số bền mối hàn
Ứng suất
Ứng suất cho phép

N/mm2
N/mm2

* Chọn vật liệu làm buồng đốt và buồng bốc là X18H10T
3.1. Bề dày buồng đốt
Làm việc áp suất trong.
Nhiệt độ làm việc: t = tD + 20 0C
p suất làm việc: p = (pD – pa) + ptt = (pD – pa)
* Xét
 

p

 25

 S '

D

2 

BD

p

 h

(47)
(48)

(CT5.3-[5])

Bề dày thực: S = S’ + C = S + ( Ca + Cb + C0)

(49)

(50)

* Kiểm tra độ bền: (CT5.1-[5])
S 

C

D

a

 0 .1

(51)

BD

* p suất tính tốn cho phép bên trong thiết bị:

p 

S  C 

D  S  C 

2  
BD

h

a

p

( CT5.11-[5])
(52)

a

3.2. Bề dày buồng bốc:

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 14


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Làm việc với áp suất ngoài.
Cho chiều cao mức chất lỏng trong buồng bốc h = 0.4HBB = 1.28 m
Nhiệt độ tính toán: t = tsdm(p0) + 20 0C
(53)
Aùp suất làm việc: p = pa + pCK + ptt= pa + (1 – p0) + ρgh

(54)

* Bề dày buồng bốc: (CT5.14-[5])

 p
l' 

D  tx
D BB 
E

S '  1 . 18

l'  H

0 .4

(55)

BB

BB



1
  h
3 ht

(56)

chọn nắp elip tiêu chuẩn:

h
D

 0 . 25

t
BB

chiều cao gờ h = 50 (mm)
* Kiểm tra độ ổn đị nh của thân: (CT5.15-[5])
2 S  C a 

1 .5

D

l'

D

 0 .3

BB



BB

E


t
t
c

l'

D

D



(57)

2 S  C a 

BB

 2 S  C a  


 D BB 

BB

3

(CT5.16-[5])

(58)

* Aùp suất cho phép: (CT5.19-[5])

 p   0 . 649

 S C a 

E Dl ' 
 D BB 
t

2

BB

S  C  
a

D

p

(59)

BB

* Kiểm tra độ ổn đị nh của thân khi chịu lực nén chiều trục:
Lực nén chiều trục:

P

CT





D BB  2 S 

2

4

p

(60)
BB

* Xét

D


k
E
t

BB

2 S  C

a





k

C



K

C

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

 875

C
t

C

(CT5.34-[5])

(61)

Trang 15


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Kiểm tra độ ổn định:

S  C  

P
K E

(62)

CT

a

t

C

* Kiểm tra độ ổn đị nh của thân khi chịu tác dụng đồng thời Pn và PTC
Ứng suất nén chiều trục:



n



P

(63)

 D BB  S S  C a 
CT

Ứng suất cho phép chịu nén:

   K E S  C 
D
t

n

a

(64)

C

BB

Kiểm tra độ ổn định:

  p
   p
n

n

n

n

1

(65)

3.3. Tính bề dày cho đáy thiết bị:
Làm việc với áp suất trong giống Buồng đốt.
Chọn đáy hình nón theo tiêu chuẩn, có gờ 2α = 90o

Chọn Sđ = SBD
Chiều cao gờ ht = 50 mm
Chiều cao nón H = 675 ( Bảng XIII.22-[2])

R
 0.15  y = 1.94 (Bảng 6.2-[5])
D
* Kiểm tra áp suất cho phép: (CT6.23-[5])

 p 

4  S  C a 

D

BD

y

 p

(66)

3.4. Tính bề dày nắp thiết bị:
Làm viêc với áp suất ngoài giống Buồng bốc
Chọn nắp là elip tiêu chuẩn.

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 16

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

h
D

t

 0 . 25

BB

Chiều cao gờ : 50 (mm)
Bề dày nắp: Sn = SBB

E S  C   5 x  R
E S  C   6 .7 x  R 1  x 
t

t

 

a

t

C

(67)

t

t

a

t

C

Với x = 0.7
* Ứng suất cho phép

R
S

t

 0 . 15

E


t
t



p 



2

C

Thông số

n

S  C 



(68)

a

R

t

Nhiệt độ làm việc
Aùp suất tính toán
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn
Hệ số hiệu chỉnh
Ứng suất tính toán
Hệ số bền mối hàn

Bề dày tối thiểu
Hệ số bổ sung ăn mòn
Hệ số bổ sung qui tròn
Bề dày buồng đốt
Kiểm tra độ bền
Aùp suất tính toán cho phép

Ký
Đơn vị
Giá trị
hiệu
Buồng đốt
0
t
C
152.9
p
N/mm2
0.196
2
[σ]*
N/mm
125
η
0.95
2
[σ]
N/mm
118.75
φh

0.95
S’
mm
1.044
Ca
mm
1
C
mm
1.956
S
mm
4
0.0025 < 0.1
[p]
N/mm2
0.563 > p

Nhiệt độ làm việc
Aùp suất thủy tĩnh
Aùp suất tính toán
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn
Hệ số an toàn khi chảy
Ứng suất khi chảy
Modun đàn hồi
Chiều dài tính toán của BB
Bề dày tối thiểu BB
Hệ số bổ sung ăn mòn
Hệ số bổ sung qui tròn

Buồng bốc
0
t
C
ptt
N/mm2
p
N/mm2
[σ]*
N/mm2
ηC
σC
N/mm2
Et
N/mm2
l’
mm
S’
mm
Ca
mm
C
mm

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

89.7
0.014
0.179
142

1.65
234.3
20.5x104
3383.33
10.982
1
2.018

Ghi chú

(47)
(48)
Đồ thị1.2-[5]
Trang 26-[5]

(49)

(50)
Thỏa
Thỏa

(53)
(54)
Hình1.2-[5]
Bảng 1.6-[5]
Bảng 2.12-[5]
(56)
(55)

Trang 17

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Bề dày BB
Kiểm tra độ ổn định của thân
khi chịu tác dụng áp suất
ngoài
Aùp suất cho phép
Hệ số
Hệ số
Lực nén chiều trục
Kiểm tra độ ổn định của thân
khi chịu lực nén chiều trục
Ứng suất cho phép chịu nén
Ứng suất nén chiều trục
Kiểm tra độ ổn định khi chịu
đồng thời áp suất ngoài và
PCT

S

mm
14
1.171 < 1.6917 < 8.77
1.692 > 0.389

[p]
kC
KC

PTC

N/mm2

[σn]
σn

N/mm2
101.27
N/mm2
7.03
0.737 < 1

N
1 > 3.437

0.268 > p
0.076
0.076
578201

(57)-Thỏa
(58)-Thỏa
(59)-Thỏa

(60)
(62)-Thỏa
(64)
(63)
(65)-Thỏa

Aùp suất tính toán
Bề dày đáy
Aùp suất cho phép

Đáy nón
p
N/mm2
S
mm
[p]
N/mm2

0.1962
4
0.551 > p

Chọn pđáy = pBD
Chọn Sđáy = SBD
(66)-Thỏa

Aùp suất tính toán
Bề dày nắp
Hệ số
Aùp suất cho phép

Nắp elíp
p
N/mm2
S

mm
β
[p]
N/mm2

0.179
14
2.277
0.532 > p

Chọn pnắp = pBB
Chọn Snắp = SBB
(67)
(68)-Thỏa

IV. ĐƯỜ NG KÍNH ỐNG:
ta chọn vận tốc v (m/s)
Lưu lượng thể tích :

V 

G


(69)

Đường kính các ống :

d

4V
v
Thông số

Ký
Đơn vị
Giá trị
hiệu
ờ
Đư ng kính cửa ra của hơi thứ
Tốc độ hơi thứ
vh
m/s
30
3
Khối lượng riêng hơi thứ
ρh
Kg/m
0.19572
3
Thể tích hơi thứ
V
m /s
4.258
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

(70)
Ghi chú

Trang 74-[2]

Tra ở 0.314 at

Trang 18


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Đườ ng kính ống

dh

Vận tốc nhập liệu
Khối lượng riêng dd nhập
liệu
Suất lượ ng nhập liệu
Đường kính nhập liệu

Vận tốc tháo liệu
Khối lượ ng riêng sản phẩm
Suất lượng tháo liệu
Đườ ng kính ống tháo liệu

m

0.425

Đườ ng kính ống nhập liệu
vnl
m/s
1

3
ρd
Kg/m
1068.885
Qd
dnl

m3/s
m

1.559x10-3
0.045

Đường kính ống tháo liệu
vtl
m/s
1
3
ρC
Kg/m
1121.53
3
Qc
m /s
0.743x10-3
dtl
m
0.03

Đườ ng kính ống vào của hơi đố t

Vận tốc hơi đố t
vD
m/s
20
3
Khối lượng riêng hơi đốt
ρD
Kg/m
1.618
Chi phi hơi đố t
GD
Kg/s
0.99
3
Lưu lượng hơi đốt
VD
m /s
0.619
Đườ ng kính ống dẫn hơi đốt
dD
m
0.2
Đường kính ra của nước ngưng
Tốc độ tháo nươc ngưng
vn
m/s
1
3
Khối lượng riêng nước ngưng
ρn

Kg/m
932.3
3
Lưu lượng nước ngưng
Vn
m /s
1.062x10-3
Đường kính ống tháo nước
dn
m
0.04

Đường kính

Chọn

Đường kính ra của khí không ngưng
dk
m
0.02

Chọn

Tra ở 3 at

Làm tròn

Chọn
Tra ở 3 at
Làm tròn

Chọn

V. TÍNH BÍCH:
Chọn bích liền.
Do NaCl ăn mòn nên sử dụng đệ m amiăng.
Vật liệu làm bích là thép CT3.
Tra bảng XIII.27-[2] kiểu bích 1 ( ở áp suất 0.3 N/mm2)
Thông số

DBB
2000

D
2160

Db
2100

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Ký
Đơn vị
Giá trị
hiệu
Bích nối buồng bốc và nắp
D1
D0
db
z

2060
2015
M27
48

Ghi chú

h
40

δđệm
3

Trang 19


GVHD: TS.Lê Phan Hồng Chiêu

Bích nối buồng đốt và đáy-buồng bốc và buồng đốt
D
Db
D1
D0
db
z
h
1340
1290
1260
1213

M20
32
25

DBB
1200

δđệm
3

VI. TÍNH VĨ ỐNG:
*p suất tính toán trong vó:
p= pBD + p’CKBB = pBD + [1-(pBB + g(hBB + HBD)]
với hBB + HBD = 1.28 + 2 = 3.28 (m)

(71)

* Xét

D

2 S  C

a



 250 

* Ứng suất uốn:

  
U

0 . 17

E

t

k

U



K

S  C 
D

U

 875

C
t

U

(CT 5.43-[5])

(CT 5.40-[5])

a

* Bề dày vĩ ống:

S'


k
E
t

BD

(72)

(73)

BD

(CT 8.23-[5])

d
5
8

(74)

Bề dày thực S = Sm + Co

(75)

* Kiểm tra lại ứng suất uốn: (CT 8.25-[5])



U



P
d 

3 .6  1  0 .7  
l 


S 

 l 

2



 

(76)

U

với l = 1.18t = 62.776
* Kiểm tra theo độ cứng: (CT8.30-[5])

S

4.35d  15
ld
Thơng số

p suất tính tốn trong vỉ
Hệ số
Hệ số
SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

(77)
Ký
hiệu
p
kU
KU

Đơn vị

Giá trị

Ghi chú

N/mm2

0.356
0.17
0.17

(71)
(72)
Trang 20


GVHD: TS.Lê Phan Hồng Chiêu

Ưùng suất uốn cho phép
Bề dày tối thiểu
Bề dày thực
Kiểm tra lại ứng suất uốn
Kiểm tra theo độ cứng

[σU]
S’
S
σU

2

N/mm
87.125
mm

9.75
mm
12
2
N/mm
4.696 < [σU]
12 > 7.4265

(73)
(74)
(75)
(76)-Thỏa
(77)-Thỏa

VII. TAI TREO:
Khối lượng tai treo cần chòu:
M = Mtb + Mdd

(78)

* Khối lượng thiết bò:
Mtb = Mnắp + Mđáy + MBD + MBB + 2Mvó + MốngTN + MốngTH + Mbích + Mbulông
+ Đáy-nắp :

M  FS

(79)

+ Buồng bốc-buồng đốt :

M   DHS

(80)

+ Khối lượng vĩ ống
2
2
 2

d
D
d
BD

M  S
n
 S
 4
4
4 



(81)

+ Khối lượng ống truyền nhiệt:
M  n H BD 


4

d

2

 d tr
2



(82)

+ Khối lượng ống tuần hồn:
M  H BD 


4

d

2
n

 dS
2



(83)

+ Khối lượng 1 bích:

D  D  z d 

(84)

Mbích = 2Mđáy-BD + Mnắp-BB

(85)

* Khối lượng dung dịch:
M =V
V = VBB + VốngTN + VốngTH + Vđáy

(86)
(87)

M  h


4

2

2

2

t

b

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Trang 21


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

V
V

V

BB

TH






4

H

2
BB

BB

(88)

3

 2
4 D BD H Bd

 n

TN

D


4

(89)

2

d H

(90)

BD

tr

Chọn 4 tai treo, nên trọng lượ ng trên 1 tai treo là

G

9.81M
4

(91)

Thông số

Ký
hiệu

Đơn vị

Giá trị

Diện tích nắp
Diện tích đáy
Khối lượng riêng X18H10T
Khối lượ ng riêng CT3
Khối lượng nắp
Khối lượ ng đáy
Khối lượng buồng đốt
Khối lượ ng buồng bốc
Khối lượng 2 vĩ ống
Khối lượ ng ống truyền nhiệt
Khối lượng ống tuần hoàn
Khối lượng 2 bích đáy-BD

Khối lượng bích nắp-BB
Tổng khối lượng bích
Tổng khối lượ ng Thiết bị

Thiết bị
Fn
m2
Fd
m2
ρ
Kg/m3
ρ
Kg/m3
Mnắp
Kg
Mđáy
Kg
MBD
Kg
MBB
Kg
Mvĩ
Kg
MốngTN
Kg
MốngTH
Kg
Mđáy-BD
Kg
Mnắp-BB

Kg
Mbích
Kg
∑Mtb
Kg

4.66
2.026
7900
7850
515.396
64.022
238.258
2223.745
155.927
968.52
141.416
105.674
155.517
261.191
4568.475

Khối lượng riêng dd
Thể tích dd trong BB
Thể tích dd trong ống TH
Thể tích trong ống TN
Thể tích dd trong đáy
Tổng khối lượng dd
Tổng khối lượ ng tai treo đỡ
Tải trọng trên 1 tai treo

Dung dịch
ρdd
Kg/m3
VBB
m3
VốngTH
m3
VốngTN
m3
Vđáy
m3
∑Mdd
Kg
∑M
Kg
G
N

1122.36
4.021
0.251
0.492
0.36
5750.97
10319.445
25308.439

Gx10

-4

Fx10

4

q=10

-6

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Tai treo (BảngXIII.36-[2])
L
B
B1
H
S

Ghi chú

Bảng XIII.10-[2]
Bảng XIII.22-[2]

(79)
(79)
(80)
(80)
(81)
(82)

(83)
(84)
(84)
(85)
(78)

(88)
(89)
(90)
Bảng XIII.22-[2]
(87)
(78)
(91)

l

a

d

M

Trang 22


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

4
279
1.34

190 160 170 280
10 80
VIII. BẢNG LIỆT KÊ KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH:
Thông số
Vật liệu
Chiều cao
Đườ ng kính
Bề dày
Thông số
Vật liệu
Chiều cao
Đườ ng kính
Bề dày
Chiều cao gờ
Thông số

Đường kính cửa ra hơi thứ
Đường kính ống nhập liệu
Đườ ng kính ống tháo liệu
Đường kính ống vào hơi đốt
Đườ ng kính ống ra nướ c
ngưng
Đường kính ống ra khí không
ngưng
Thông số

Diện tích bề mặt TN
Đường kính trong của ống
Đườ ng kính ngoài của ống
Số ống truyền nhiệt

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Ký
hiệu

Đơn vị

Buồng bốc

25

30

7.35

Buồng đố t

Thép X18H10T
H
D
S

m
m
m

3.2
2
0.014

Ký
hiệu

Đơn vị

Nắp elip

h
D
S
hg

Đáy nón

Thép X18H10T
0.5
0.675
2
1.2
0.014
0.004
0.05
0.05

m
m
m
m

Ký
Đơn vị
hiệu
Đường kính các ống
dh
m
dnl
m
dtl
m
dD
m
dC
m
dk

2
1.2
0.004

m

Ký
Đơn vị
hiệu
Oáng truyền nhiệt
F
m2
dtr
m

d
m
n
Oáng

Giá trị

0.425
0.045
0.030
0.200
0.040
0.020

Giá trị

72
0.034
0.038
271

Trang 23


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

CHƯƠNG 3
THIẾT BỊ PHỤ
I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT:
*Lưu lượ ng hơi đố t:

QD = Gđcđ(tc – tđ) + Qt

(92)

* Chi phí hơi đốt :

G

D



Q

(93)

D

rx (1   )

Thông số

Suất lượng
Nồng độ
Nhiệt độ dd đầu vào
Nhiệt độ dd đầu ra
Nhiệt dung riêng dd

Nhiệt độ hơi đốt
Aån nhiệt ngưng tụ

Chiều cao TBGN
Đường kính trong ống TN
Đườ ng kính ngoài ống TN
Lưu lượng hơi đốt
Chi phí hơi đố t

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

Ký
Đơn vị
hiệu
Dung dịch
Gđ
Kg/h
xđ
%kl
0
td
C
0
tC
C
c
J/kgđộ

tD
rD
H
dtr
dng

Qd
Gd

Hơi đốt
0
C
Kj/kg
m
m
m
w
Kg/s

Giá trị

Ghi chú

6000
0.1
25
73.59
3771

Chọn

132.9
2171
1
0.038
0.034

321461
0.156

Chọn
Chọn
Chọn
(92)
(93)

Trang 24


GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

II.THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET:
*Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: (CT VI.51-[2])

G



n

C t 
C t  t 

W

i

w



n

n

(94)

2C

2c

2d

* Lượng không khí và khí ngưng rút ra khỏi thiết bị: (CT VI.47-[2])

G

kk

 0.00025(W  Gn)  0.01W

(95)

*Thể tích không khí cần thiết ra khỏi thiết bị: (CTVI.49-[2])

V

kk



G 273  t 
p  p

288

kk

2C

C

(96)

h

*Đườ ng kính trong của thiết bị ngưng tụ: (CT VI.82-[2])

D

tr

W

 1 . 383

 v

h

(97)
h

* Kích thước tấm ngăn:
Tấm ngăn có hình viên phân để đảm bảo làm viêc tốt.
Chiều rộng tấm ngăn: (CT VI.53-[2])

D

b

tr

2

 50

(98)

* Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, nên bước lỗ: (CT VI.54-[2])
t  0.886d

f
f

e

f

f

e
tb

 0 .1

(99)

TB

* Chiều cao thiết bị ngưng tụ:
Mức độ đun nóng nước được xác định:(CT VI.56-[2])

p  t 2C t 2 d
t C  t 2d

SVTH: Nguyễn Thị Băng Tâm

(100)

Trang 25