TÍNH BỀN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG MỘT NỒI THEO ASME

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN

BTL: Cơ sở thiết kế thiết bị hóa chất

TÍNH BỀN CƠ KHÍTHIẾT BỊ
CƠ ĐẶC CHÂN KHƠNG MỘT NỒI THEO ASME

CBHD: ThS. Hồng Trung Ngơn
SVTH: Nhóm 3
Nguyễn Thành Đạt

1710965

Đỗ Quang Đức

1711054

Thái Thủ Nghĩa

1710203

Trần Thu Hiền

1711336

Võ Huỳnh Như Ngọc

1710205

Huỳnh Văn Bình

1710632

Lê Ngun Khải

1711732

Trần Hồng Minh

1712201

1


MỤC LỤC
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................................... 1
2. GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH .................................................................................. 1
2.1.

Cơ đặc: ............................................................................................................. 1

2.2.

Các phương pháp cơ đặc: ............................................................................... 1

2.3.

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: ................................................................... 1

2.4.

Phân loại và ứng dụng của thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt
........................................................................................................................... 2

3. THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ .................................................................................. 4
4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................. 4
5. CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG ............................................................ 6
5.1. Dữ kiện ban đầu ................................................................................................. 6
5.2. Cân bằng vật chất............................................................................................... 6
5.2.1. Suất lượng nhập liệu .................................................................................... 6
5.2.2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên:........................................................................ 6
5.3. Tổn thất nhiệt độ: ............................................................................................... 6
5.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (Δ’):........................................................... 6
5.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (Δ’’): ................................................. 7
5.4. Cân bằng năng lượng ......................................................................................... 9
6. TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT............................................................................ 10
6.1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ ........................................................................... 10
6.2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi: ................................. 11
6.3. Nhiệt tải riêng phía tường (qv): ....................................................................... 11
6.4. Tính nhiệt tải riêng........................................................................................... 12
6.5. Hệ số truyền nhiệt K ........................................................................................ 12
6.5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt.......................................................................... 12
7. TÍNH BỀN CHO THIẾT BỊ .................................................................................. 13
7.1. Buồng đốt .......................................................................................................... 13
7.1.1. Thân buồng đốt .......................................................................................... 13
7.1.2.Vỉ ống ........................................................................................................... 14
2

7.2. Buồng bốc .......................................................................................................... 14
7.2.1Thân Buồng bốc ........................................................................................... 14
7.2.2.Thân côn chuyển tiếp.................................................................................. 15
7.3. Nắp Elip............................................................................................................. 17
7.4. Đáy nón ............................................................................................................. 17
7.5. Mặt bích ............................................................................................................ 18
8. KẾT LUẬN ............................................................................................................. 20
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 20

3


1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Bài tốn: tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc chân không một nồi
liên tục để cô đặc dung dịch NaNO3 với:
- Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h (30oC)
- Nồng độ đầu: 15wt%
- Nồng độ cuối 45wt%
- Áp suât ngưng tụ: 0.6kg/cm3
2. GIỚI THIỆU Q TRÌNH
2.1. Cơ đặc:
Cơ đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ của các chất hòa tan trong dung
dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cơ đặc của dung dịch lỏng-rắn hay lỏng-lỏng
có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần
dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) đó là các q trình vật lý-hóa lý. Tùy theo tính
chất của cấu tử khó bay hơi (hay khơng bay hơi trong q trình đó), ta có thể tách
một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng)
hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.
2.2.

Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt (đun nóng)

Phương pháp lạnh

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 thống chất
lỏng.

Khi hạ 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.
Tùy 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.

2.3.

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất
lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để
khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngồi. Do đó, ta cần cung cấp

nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong q trình
cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên
bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hồn tự nhiên trong nồi cơ đặc. Tách khơng khí
và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
1


Ứng dụng:
-

Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái
cây…
Trong sản xuất hố chất, ta cần cơ đặc các dung dịch NaOH, NaCl, NaNO3, các
muối vô cơ…
2.4. Phân loại và ứng dụng của thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp
nhiệt
Theo cấu tạo

Theo phương thức
thực hiện q trình

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở):
Nhiệt độ sơi và áp suất khơng đổi;
(tuần hồn tự nhiên).
thường được dùng trong cô đặc dung
Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cơ đặc
dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố
dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm
định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời

bảo sự tuần hồn dễ dàng qua bề mặt
gian cơ đặc ngắn nhất.
truyền nhiệt.
Cơ đặc áp suất chân khơng:
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức
Dung dịch có nhiệt độ sơi thấp ở áp suất
(tuần hồn cưỡng bức).
chân khơng. Dung dịch tuần hồn tốt, ít
Thiết bị cơ đặc nhóm này dùng bơm để
tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra
tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5
liên tục.
m/s tại bề mặt truyền nhiệt.
Ưu điểm chính là tăng cường hệ số
truyền nhiệt k, dùng được cho các dung Cô đặc nhiều nồi:
dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám
Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số
cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm
hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng cơ chân không, cô áp lực hay phối hợp
cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử
mỏng.
dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng
Thiết bị cơ đặc nhóm này chỉ cho phép
cao hiệu quả kinh tế.
dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt
truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược)
để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm
Cô đặc liên tục:

biến chất một số thành phần của dung
dịch. Đặc biệt thích hợp cho các dung
2


dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa Cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn.
Có thể được điều khiển tự động nhưng
quả ép.
hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.
Trong bài báo cáo này nhóm xin chọn thiết bị cô đặc một nồi liên tục ở áp suất chân
khơng làm thiết bị nghiên cứu, tính tốn bề dày các bộ phận chính của thiết bị:
Hình ảnh minh họa thiết bị cô đặc một nồi liên tục ở áp suất chân
khơng:
-

Ống nhập liệu, ống tháo liệu

-

Ống tuần hồn, ống truyền nhiệt

-

Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

-

Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí khơng ngưnng

3

3. THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ
Thiết Bị Cơ Đặc Chân
Khơng

Dịng nhập liệu
Thơng
Số
Các
Dịng Dịng Hơi thứ
Vật
Chất Dịng sản phẩm
đáy
Dịng hơi đốt
(bão hịa)
Buồng bốc

Thơng
Số
Hình
Học Buồng Đốt

Đáy

Thơng số
Năng suất nhập liệu
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Nhiệt độ

Khối lượng riêng
Áp suất
Nhiệt độ
Áp suất
Nhiệt độ
Áp suất
Nhiệt độ
Chiều cao
Đường kính trong
Hình dạng
Số ống nhập liệu
Chiều cao
Đường kính trong
Số ống truyền nhiệt
Số ống Tuần Hoàn
trung tâm
Số ống dẫn hơi nước
Hình dạng
Hình dạng
Số ống tháo liệu

Giá trị

Đơn vị

1500 kg/h
15 wt%
45 wt%
30 oC
2257 kg.m-3

0.6275 at
86.5 oC
1.2 at
98.2 oC
4 at
142.9 oC
2000 mm
2200 mm
Trụ
1 ống
2000 mm
1000 mm
264 ống
1

ống
2 ống
Trụ
Nón (2α=60o)
1 ống

Nguồn
1
1
1
2
3
3
1
3

1
3
1
1
1
2
2
1
1
2
2
2
2
2
2

1- Yêu cầu CN
2- Giả định;
3- Bảng PL2, Tr.212 -(Sách thầy Nguyễn Hữu Hiếu) hoặc sổ tay QTTB.
4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
American Society of Mechanical Engineers (ASME) là một tổ chức nghề nghiệp
giúp thúc đẩy nghệ thuật, khoa học, và quy trình kỹ thuật của các ngành nghề kỹ
thuật và liên kết các ngành khoa học trên khắp thế giới thông qua việc thường xuyên
giáo dục, đào tạo và phát triển nghề nghiệp, "codes" và tiêu chuẩn, nghiên cứu, hội

4


thảo và xuất bản ấn phẩm, liên lạc các hiệp hội, và các nỗ lực khác giúp tổ chức
vươn xa hơn.

Vì vậy mà ASME là một đồn thể kỹ thuật, một tổ chức tiêu chuẩn, một tổ chức
nghiên cứu và phát triển, một tổ chức vận động hành lang, một nhà cung cấp về đào
tạo và giáo dục, và là một tổ chức phi lợi nhuận. Được thành lập như một đoàn thể
kỹ thuật, tập trung vào kỹ thuật cơ khí ở Bắc Mỹ, ASME ngày nay là một tổ chức
đa nghề nghiệp và tồn cầu.
ASME có trên 140,000 thành viên trên 158 quốc gia trên thế giới.
ASME được thành lập vào năm 1880 bởi Alexander Lyman Holley, Henry
Rossiter Worthington, John Edison Sweet và Matthias N. Forney để đáp ứng lại
nhiều thất bại trong các đường ống chịu áp lực nồi hơi. Được biết đến cho việc thiết
lập "codes" và các tiêu chuẩn cho các thiết bị cơ khí, ASME chỉ đạo một trong những
"tài liệu kỹ thuật vận hành" lớn nhất thế giới, tổ chức nhiều hội thảo kỹ thuật và
hàng trăm khóa học phát triển nghề nghiệp hàng năm, và bảo trợ cho nhiều chương
trình giáo dục vươn xa.
ASME là một trong những tổ chức về tiêu chuẩn lâu đời nhất của Hoa Kỳ. Tổ
chức phát hành gần 600 "codes" và tiêu chuẩn trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, như bu
lơng ốc vít, đường ống nước, thang máy, đường ống dẫn và hệ thống nhà máy điện
và các thành phần.
ASME phát triển các tiêu chuẩn tự nguyện để nâng cao an toàn, sức khỏe và chất
lượng sống của cộng đồng, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho sự đổi mới, thương
mại và cạnh tranh.
ASME phát triển và xét duyệt các tiêu chuẩn dựa trên nhu cầu của thị trường
thơng qua quy trình thống nhất, thỏa thuận và cam kết giữa các bên liên quan gồm
các nhà sản xuất, người dùng, chính quyền và các bên quan tâm khác. Việc xây
dựng tiêu chuẩn ASME cùng với sự xét duyệt theo sau đều được đánh giá dựa trên
các dữ liệu có độ tin cậy cao với sự nhất trí của các ủy ban tham gia vào quy trình
xây dựng tiêu chuẩn.

5

5. CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG
5.1. Dữ kiện ban đầu
Nồng độ đầu xđ = 15%, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC.
Nồng độ cuối xc = 45%.
Năng suất sản phẩm Gc = 1500kg/h.
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa áp suất hơi đốt là 4at.
Áp suất tại thiết bị ngưng tụ baromet : Pc = 0.6at
5.2. Cân bằng vật chất
5.2.1. Suất lượng nhập liệu
Theo cô ng thức 5.16, [5], tr277:
𝐺đ × 𝑥đ = 𝐺𝑐 × 𝑥𝑐
𝐺đ =

𝐺𝑐 × 𝑥𝑐 1500 × 45%
=
= 4500𝑘𝑔/ℎ
𝑥đ
15%

5.2.2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên:
Theo công thức 5.17, [5], tr277:
𝐺đ = 𝑊 + 𝐺𝑐
𝑊 = 𝐺đ − 𝐺𝑐 = 4500 − 1500 = 3000𝑘𝑔/ℎ
Trong đó: Gc – suât lượng tháo liệu (năng suất).
5.3. Tổn thất nhiệt độ:
- Ta có áp suất thiết bị ngưng tụ Pc=0.6at → nhiệt độ của hơi thứ Tc=85.5oC (tr314,
[1]).
- Ta lại có Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến
TBNT, theo [5], tr280, chọn Δ’’’=1K
- Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc P0

Tsdm (P0) – Tc= Δ’’’=1K → tsdm (P0) = tc + 1=85.5 + 1=86.5oC
- Áp suất tại buồng bốc: Tra [1], tr312: ở nhiệt độ 86.5oC là P0 = 0.6275at.
5.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (Δ’):
Theo Tisenco CTVI10, [2], tr59.
Δ’= Δo.f
Ở đây:

6


- Δo’ – tổn thất nhiệt dộ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ
sối của dung mơi ở áp suất khí quyển
Do cơ đặc có tuần hoàn dung dịch → lấy a = xc = 45%
Tra từ đồ thị (HVI.2, [2], tr60) được Δo’ =8.4%
- f – Hệ số hiệu chỉnh do khác áp suât khí quyển:
f=16.2

(273+𝑡)2
𝑟

(CTVI 11,[2], tr59

với – t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, t=86.5oC
– r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi ngun chât ở áp suất làm
việc. r=2293.25 kJ/kg (B I251, tr314, [1]).
(271 + 86.5)2
𝑓 = 16.2
= 0.91298
2293.25 × 1000
Δ = 8.4 × 0.91298 = 7.669

Tsdd (Po) = tsdm (Po) + Δ’ = 86.5+7.669=94.169oC

Ta có:

5.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (Δ’’):
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ΔP (N.m2), ta có:

Trong đó:
- ρs : khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sơi bọt, kg/m3
ρs = 0.5ρdd
ρdd = 1331.64 kg/m3 (ST QTTB tập 1)
→ ρs = 0.5 × 1331.64 = 665.82 kg/m3
- Hop: Chiều cao thích hợp của dd sơi tính theo kính quan sát mực chất lỏng, m
Hop = [0.26+0.0014(ρdd- ρdm)]ho
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho=2m (theo B VI6, [2], tr80)
ρdm = 961.12 kg/m3
Hop = [0.26+0.0014(1331.64-961.12)] ×2 =1.5575m
→ ΔP = 0.5 × 665.82 × 9.81 ×

1.5575
9.81×104

= 0.05185𝑎𝑡

→ Áp suất trung bình:
Ptb=P0 + ΔP = 0.6275 + 0.05185 = 0.67935 at
7


Tra sổ tay tại Pth = 0.67935 (at) ta có tsdm (Ptb) = 88.5153oC

* Ta có

Suy ra: Δ’’=88.5153-86.5 = 2.0153oC
Tsdd (Ptb) = ttdd (Po) + Δ’’ = 94.169 + 2.0153 = 96.1843oC
Lấy sản phẩm ra tại đáy: tsdd(Po+2ΔP)=94.169 + 2×2.01053 = 98.1996oC
* Vậy tổng độ tăng nhiệt độ sôi :
∑ 𝛥 = 𝛥′ + 𝛥′ ′ + 𝛥′ ′′ = 7.669 + 2.0153 + 1 = 10.6843oC
* Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt là 4at, vây Tp=142.9oC
Hiệu số nhiệt độ hữu ích
Δth,i = 142.9 – 85.5 – 10.6843 = 46.7175oC
Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nồng độ nhập liệu

xd

%kl

15

Nồng đố sản phẩm

xc

%kl

45

Năng suất nhập liệu

Gd

kg/h

4500

Năng suất sản phẩm

Gc

kg/h

1500

Thông số

HƠI THỨ
Lượng hơi thứ thoát ra

W

kg/h

3000

Áp suất

P0

at

0.6275

Nhiệt độ

t0

o

Entanpi

iw

C

86.5

kJ/kg

2655.7

4

HƠI ĐỐT
Áp suất

pD

at

Nhiệt độ

tD

o

Entanpi

iD

C

142.9

kJ/kg

2135.5

TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi dd áp suất p0

tsdd (Po)

o

C

94.169
8


Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

Δ’

o

C

7.669

Áp suất ở lớp trung bình

ptb

at

0.67935

Nhiệt độ sơi trung bình dm

tsdm (Ptb)

o

C

88.5153

Tổn tất to do cột thủy tĩnh

Δ’’

o

C

2.0153

tsdd (Ptb)

o

C

96

Tổn tất to trên đường ống

Δ’’’

o

C

1

Tổn thất to trên đường ống

∑Δ

o

C

10.6843

Chênh lệch to hữu ích

Δth.i

o

C

46.7157

Nhiệt độ sôi dd ở ptb

5.4. Cân bằng năng lượng
Cân bằng nhiệt lượng:
- Tại thiết bị gia nhiệt chọn đun nóng đến nhiệt độ sơi 94.169oC
+ Dịng nhập liệu: Dịng vào tv = 30oC
Dòng ra tr = 94.169oC
+ Dòng hơi đốt : TD = 142.9oC
- Vậy nhiệt độ đầu vào thiết bị cô đặc là tđ = 94.169oC

- Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bị
tc = tsdd(Po) + 2 Δ’’ (CT2.15, [3], tr107)
tc = 94.169 + 2 x 2.0153 = 98.1996 oC
- Nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO3 ([1], tr152)
Ở a=15% (a<0.2) cđ=Cvào=4186(1-a) = 4186(1.0.15) = 3558.1 J/kg.độ
a=45% (a>0.2) cc= Cra = 4186 – (4186 – Cct)a = 4186-(4186-1205)0.45 =
2844.55 J/kg.độ
Phương trình cân bằng nhiệt

→
Thay Qtt=εQD=0.05QD
9


1500
4500
3000
× 2844.55 × 98.1996 −
× 3558.1 × 94.169 +
× (2655.7 × 103 − 2844.55 × 98.1996)
3600
3600
3600
𝐷=
(1 − 0.05)(1 − 0.05)(2135.5 × 103 )

= 0.871 kg/s
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
QD = 0.871×(1-0.05)(1-0.05)(2135.5× 103) = 1.6787× 106 W
Lượng hơi đốt tiêu tốn riếng:

𝑑=

𝐷
𝑊

=

0.871
3000

× 3600 = 1.0452 (kg hơi đốt / kg hơi thứ).

6. TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT
6.1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ
Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ổng truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào
bằng cái chia làm nhiều miệng vào. Do chọn tốc độ hơi nhỏ (w = 10m/s). Màng
nước ngưng chuyển động dòng ( do ống truyền nhiệt ngắn chọn ho = 2m). Ngưng
hơi bảo hòa tinh khiết trên bề mặt đứng. Ta có theo cơng thức (V.101), [4], tr28:
𝛼1 = 2.04 × 𝐴 × (

𝑟
)0.25
𝐻 × Δt1

Trong đó:
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước ở áp suất hơi đốt là 4at
Tra [1],tr314: r=2135.5×103 J/kg
H - chiều cao ống truyền nhiệt, H=ho=2m
A – phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm
𝑡𝑚 =

142.9+134.2
2

= 139.095 oC

A tra ở [2], tr28. A=193.7285
𝛼1 - hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2.K
Δt1 = tD – tv1
Δt1 = 142.9 – 135.29 = 7.61
→ 𝛼1 = 2.04 × 193.7285 × (

2135.5×103 0.25
)
2×7.61

= 7648.828 𝑊/𝑚2 𝐾

Nhiệt tải riếng phía hơi ngưng
q1=𝛼1 × Δt1 = 7648.828×7.61 = 58207.58 W/m2

10


6.2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi:
Theo cơng thức VI.27, ST QTTB tập 2, tr71:
𝛼2 = 𝛼𝑛 × (

𝜆𝑑𝑑 0.565
𝜆𝑛

)

× [(

𝜌𝑑𝑑 2
𝜌𝑛

) ×(

𝐶𝑑𝑑
𝐶𝑛

)×(

𝜇𝑛
𝜇𝑑𝑑

0.435

W/m2K

)]

Trong đó
- 𝛼𝑛 - hệ số cấp nhiệt c nước khi cô đặc theo nống độ dung dịch, do nước sôi sủi
bọt nên:
𝛼𝑛 = 0.145×p0.5× Δt2.33 (CTV.91, [2], tr26)
Với P = Po = 0.6275at = 61557.75 N/m2+
Sau khi tính lặp tv2 = 99.497oC → Δt = tv2 - tsdm(Po) = 99.497-86.5 = 9.686oC

→ 𝛼𝑛 = 0.145×61557.750.5× 9.6862.33 = 7140.73032 W/m2
- Cdd – nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.C
- Cn – nhiệt dung riêng của nước (ở 88.5153oC), J/kg.C
Nồng độ
45%

ρn

ρdd

μdd

μn

967.61 1331.64 0.4×10-3

0.3022×10-3

Cdd

Cn

λ dd

λn

2844.55 4222.5 0.5203 0.68

- A: hệ số phụ thuốc mức độ liên kết cảu chất lỏng, đối với chất lỏng liên kết
A=3.58×10-8

- M = 𝛼𝑁𝑎𝑁𝑂3 × 85 + (1 − 𝛼𝑁𝑎𝑁𝑂3 ) × 18
Giả sử nồng độ NaNO3 trong dung dịch x = 30% khối lượng ( lấy trung bình)
𝛼=

30/85
30 70
+
85 18

= 0,0832 (%𝑚𝑜𝑙)

→ M=0.0832 × 85 + (1 − 0.0832) × 18 = 23.5747
→ 𝛼2 = 6041.157 W/m2K
6.3. Nhiệt tải riêng phía tường (qv):
𝑞𝑣 =

𝑡𝑣1 − 𝑡𝑣2
∑ 𝑟𝑣

Δtv = qv × ∑ 𝑟𝑣 = 58245.026 × 0.5397 × 10-3 = 31.4348
Cơ đặc ổn định thì q1 = q2 = qv
Nhiệt tải dung dịch
𝑞2 = 𝛼2 × Δ𝑡2 = 6031.167 × 9.686 = 58515.71 𝑊/𝑚2

11


6.4. Tính nhiệt tải riêng
𝑞𝑡𝑏 =

𝑞1 +𝑞2
2

=

58245.026+58515.71
2

= 58380.368 𝑊/𝑚2

6.5. Hệ số truyền nhiệt K

𝐾=

1
1
1
+∑ 𝑟𝑣 +𝛼
𝛼1
2

Trong đó:
rv = 0.5397×10-3
α1 = 7653.74849 W/m2 .độ
α2 = 6041.167 W/m2 .độ
K = 1196.3356 W/m2.K
6.5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
𝐹=

𝑄

𝐾Δtℎ𝑖

=

1.6787×106
1196.3356×46.7157

= 30.037𝑚2

Chọn F=40m2 theo tiêu chuẩn diện tích bề mặt truyền nhiệt [5] tr276

12


7. TÍNH BỀN CHO THIẾT BỊ
7.1. Buồng đốt
7.1.1. Thân buồng đốt
Vật liệuchế tạo

Thép khơng gỉ OX18H10T

Đường kính trong
thân buồng đốt

Di=1000mm (  39.37in)

Nhiệt độ thiết kế

Ttk=142.9oC+20oC=162.9oC=352.22oF
(có bọc cách nhiệt)

Dung sai ăn mòn

C=1.4mm (  0,055in)

Ứng suất cực đại

S=18877psi
Tra tại [7],tr7.
Mối hàn dọc trục
(theo ứng suất vòng)

Hệ số bền
mối hàn

Mối hàn vòng
( theo ứng suất dọc)

Ed=0.7
Ev=0,85
Tra tại PL4, [8], trang 275 ; bảng 4.3 trang 38 hoặc bảng 14.1, trang 141 hệ số bền mối hàn
P=58.78 psi
Pn=Pkq=14,7psi

Áp suất làm việc
Áp suất ngoài

P>Pn: thân buồng đốt chịu áp suất trong
Áp suất thiết kế

Ptk=69,02psi-14,7psi=44.08psi
Bề dày tối thiểu:
Theo ứng suất vòng (mối hàn dọc trục):

Do

Length

Long Seam

t

Với Dt=1000mm→smin=4mm (≈0.158inch)
→tp(min)=0,158inch
Hệ số bổ sung bề dày:
C = Ca +Cb + Cc + Co =1.4mm=0.055inch
Vật liệu bền cơ học: Cb = Cc = 0
Hệ số ăn mịn hóa học Ca = 1mm
Hệ số Co = 0.4mm ([2], tr364)
Bề dày tối thiểu:

Chọn bề dày tối thiểu là 6mm (0.236in) để tiện cho việc chế tạo.
Kiểm tra áp suất tối đa cho phép (MAWP):
Theo ứng suất vòng (mối hàn dọc trục):

Ta có:
Thỏa điều kiện bền. Chọn t=6mm (  0,236in)

13

7.1.2.Vỉ ống
Vật liệu chế tạo
Đường kính trong
thân vĩ ống

Thép khơng gỉ OX18H10T
Di=1000mm (  39.37in)

Nhiệt độ thiết kế

Ttk=142.9oC+20oC=162.9oC=352.22oF
(có bọc cách nhiệt)

Dung sai ăn mòn

C=1.4mm (  0,055in)

Ứng suất cực đại

S=18877psi
Tra tại [7],tr7.

Hệ số bền
mối hàn
Áp suất làm việc
(Phía hơi đốt)
Áp suất ngồi
(Phía buồng bốc)

Phương pháp hàn giáp mối một phía có: E=0,65
Tra tại PL4,[8] trang 275 ; bảng 4.3 trang 38 hoặc bảng 14.1, trang 141 -hệ
số bền mối hàn
P1=58.28psi
P2 =14.7psi

P1>Pkq>P2: vỉ ống chịu áp suất P1
Áp suất thiết kế

Ptk=69,02psi
Bề dày tối thiểu:

Chọn bề dày tối thiểu là 27 mm (1.063in)
Kiểm tra áp suất tối đa cho phép (MAWP):

Thỏa điều kiện bền. Chọn t=27mm (1.063in)

7.2. Buồng bốc
7.2.1Thân Buồng bốc
Vật liệu chế tạo
Đường kính trong
thân buồng bốc

Thép khơng gỉ OX18H10T
Di=2200mm (86.6in)

Chiều cao
thân buồng bốc

H=2000mm (  80in)

Nhiệt độ thiết kế

Ttk=86.5oC+20oC=106.5oC=223.7oF

Dung sai ăn mòn

CA=1.8mm (  0,071in)

Moduls đàn hồi
Áp suất làm việc
Áp suất ngồi

Et=29.733.106 psi
Tra PL5, nhóm G,[8] Tr.277
P=9.222psi
Pn=Pkq+(Pkq-P)=14.7 + (14.7-9.222)=20.178psi

PÁp suất thiết kế

Ptk=20,178psi

14


Tính tốn sơ bộ bề dày thân buồng bốc theo cơng thức Hồ Lê Viên:
Tính các thơng số hình học đặc trưng:

Bề dày sơ bộ:

Hệ số bổ sung bề dày:
C = Ca +Cb + Cc + Co =1.8mm=0.071inch
Vật liệu bền cơ học: Cb = Cc = 0
Hệ số ăn mòn hóa học Ca = 1mm
Hệ số Co = 0.8mm ([2], tr364)
tmin = t+C = 0.325 + 0.071=0.396in (≈10.1mm)
Chọn bề dày tối thiếu là 11mm (0.433in)
Kiểm tra áp suất tối đa cho phép

Tính các thơng số hình học đặc trưng:

Tìm A:
Tra bảng PL6.1, [8], tr. 297

Tìm B:
Tra bảng PL6.8, [8] tr.308

Áp suất tối đa cho phép:

Vậy bề dày thân buồng bốc tối thiểu yêu cầu là 11mm (0,433in)

7.2.2.Thân côn chuyển tiếp
Vật liệu chế tạo

Thép khơng gỉ OX18H10T

Đường kính trong
thân cơn

Bé: DS=1000mm (  39.27in)
Lớn: DL=2200mm(  68.8in)

Góc

2 = 60o

Nhiệt độ thiết kế

Ttk=96oC+20oC=116oC=240.8oF

Dung sai ăn mòn

CA=2mm (  0,08in)

Áp suất làm việc
Áp suất ngoài

P=9.222psi
Pn=Pkq+(Pa-P0)+ρPtb x g x H =25.48psi

15


PÁp suất thiết kế
Bề dày sơ bộ

Ptk=25.48psi
Chọn bề dày buồng bốc làm bề dày sơ bộ của thân cơn chuyển tiếp

t=11mm (0,433in)

Tính các thơng số hình học đặc trưng:
 = 30o

Đường kính ngồi đáy lớn:
Đường kính ngồi đáy bé:
Bề dày tương đương:

Do:
Xác định áp suất tối đa cho phép:
Tính tốn kích thước sơ bộ:

Tìm A:
Tra bảng PL6.1, [8], tr. 297

Tìm B:
Tra bảng PL6.8, [8], tr.308

Áp suất tối đa cho phép:

Vậy bề dày thân côn chuyển tiếp tối thiểu yêu cầu là
11mm (0.433in)

16


7.3. Nắp Elip
Vật liệu chế tạo
Đường kính trong

của nắp

Thép khơng gỉ OX18H10T
Di=2200mm (  86.6in)

Nhiệt độ thiết kế
Dung sai ăn mịn

Ttk=86.5oC+20oC=106.5oC=223.7oF
CA=2mm (  0,08in)

Áp suất làm việc
P=9.22psi
Áp suất ngồi
Pn=Pkq=14,7psi
PÁp suất thiết kế
Bề dày sơ bộ

Ptk=14,7psi
Để dể chế tạo chọn bề dày nắp elip bằng bề dày thân buồng bốc 11mm
(0,433in)
Tính các thơng số hình học đặc trưng:
Do=Di+2t=86.6in+2(0.433in)=87.466in

Tra bảng PL6.8, [8], tr.308
Tính áp suất tối đa cho phép:

Vậy bề dày nắp elip tối thiểu yêu cầu là 11mm(0,433in)

7.4. Đáy nón
Vật liệu chế tạo

Thép khơng gỉ OX18H10T

Đường kính trong
Đáy nón

Di=1000mm (  39.37in)

Nhiệt độ thiết kế

Ttk=142.9oC+20oC=162.9oC=352.22oF

Dung sai ăn mịn

CA=1.4mm (  0,055in)

Áp suất làm việc
P=9.222psi
Áp suất ngồi
Pn=Pkq=14,7psi
PÁp suất thiết kế
Bề dày sơ bộ

Ptk=14,7psi
Để dể chế tạo chọn bề dày đáy nón bằng bề dày thân buồng đốt t=6mm
(0,236in)
Các thơng số hình học đặc trưng

 = 30o C
Đường kính ngồi đáy lớn:
Đường kính ngồi đáy bé:
DS = 0
Ta có:  = 30o  60o

;

17


Chiều dài tương đương:

Áp suất tối đa cho phép:
Xác định hệ số A: Tra bảng PL6.1,[8], Tr297

Xác định hệ số B: Tra bảng PL6.8, [8],Tr308.
→ B ≈ 7129psi
Kiểm tra áp suất tối đa cho phép

Vậy bề dày đáy nón tối thiểu yêu cầu là 5.18mm (0,204in)

7.5. Mặt bích
Bulong và bích được làm bằng CT3

* Mặt bích nối buồng đốt và buồng bốc:
Buồn đốt và buồng bốc nối với nhau theo đường kính buồng đốt 1000mm
Chọn bích để nối
Chọn dự phịng áp suất trong thân là 43.5psi để bích kín thân
* Mặt bích nối buồng đốt và đáy:

Buồng đốt và đáy nối với nhau theo đường kính buồng đốt 1000mm
Chọn bích liền có cổ để nối
Chọn áp suất trong thân là 43.5psi để bích kín thân
* Mặt bích nối buồng bốc và nắp:
Buồng bốc và nắp nối với nhau theo đường kính 2200mm
Chọn bích liền để nối
Áp suất trong thân là 9.222psi=0.062N/m2. Chọn áp suất là 0.1N/m2
Trang bảng XIII.27 ST QTTB tập 2, tr421:
Ta được thông số thiết kế cho mặt bích.
18


Dtb

D

1000

1140

Dtb

D

1000

1140

Dtb

D

Bích nối buồng bốc và buồng đốt
Db
D1
D0
db
z
mm
cái
1090
1060
1013
M20
24
Bích nối buồng đốt và đáy
Db
D1
D0
db
z
mm
cái
1090
1060
1013
M20
24
Bích nối buồng bốc và nắp
Db

D1
D0
db
z
mm
cái
2300
2260
2215
M24
50

2200
2350
Với:
D – đường kính vành ngồi bích
Db – đường kính cho đến thân bulong
D1 – đường kính cho đến vành ngồi đệm
Do – đường kính đến vành trong đệm
db – đường kính bulong
z – số lượng bulong
h – Bề dày bích

h

δdem

40

5

h

δdem
mm

40

5

h

δdem
mm

50

7

19


8. KẾT LUẬN
Kết quả tính tốn được trình bày trong bảng dưới đầy:

Bộ phận

Buồng Bốc
Buồng đốt
Đáy nón

Chi tiết

Bề dày
tối
thiểu
(mm)

Bề dày
tối thiểu
(in)

Nắp
Thân buồng bốc
Thân côn chuyển tiếp
Thân buồng đốt
Vỉ ống
Đáy

11
11
11
6
27
6

0,433
0,433
0,433
0,236

1.063
0.236

9. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Các tác giả, “ Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ Hóa học,
tập I”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật.
[2] Các tác giả, “ Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ Hóa học,
tập II”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật
[3] Phạm Văn Bôn, “Quá trình và thiết bị công nghệ Hóa học và
thực phẩm, tập 10, Bài tập”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
Tp.HCM.
[4]Nguyễn Văn May”Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối”,nhà
xuất bản khoa học kỹ thuật
[5] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình và thiết bị công
nghệ Hóa họcvà thực phẩm, tập 5, Quá trình và thiết bị truyền
nhiệt”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp.HCM.
[6] Phan Văn Thơm, “ Sổ tay thiết kế Thiết bị hoá chất và chế biến
thực phẩm đa dụng”, Bộ Giáo Dục và Đào Tạo – Viện Đào Tạo Mở
Rộng.
[7] Hồ Lê Viên, “ Thiết kế tính toán các chi tiết thiết bị hoá chất”,
Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật
[8] Nguyễn Hữu Hiếu, “Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực”, Nhà xuất bản Đại học
Quốc gia Tp.HCM

20