ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dòch 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
- p suất hơi đốt:
3 at
- p suất ngưng tụ:
0.3 at
II. CHỌN LỰA CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ:
2.1. Sơ lược về nguyên liệu:
Dung dòch NaCl không màu, có vò mặn.
Tinh thể NaCl dễ tan trong nước, độ tan ít thay đổi theo nhiệt độ.
Ở 100 0C dung dòch bão hòa là 28.15%, ở 20 0C là 26.4%
Nhiệt độ sôi của dung dòch muối ăn là 109 0C
Dung dòch 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 bò công nghệ:
Nhóm 1: Dung dòch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên. Thiết bò dạng
này dùng để cô đặc các dung dòch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn
tự nhiên của dung dòch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
Nhóm 2: Dung dòch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức. Thiết bò trong

sôi là 73.590C.
* Thiết bò gia nhiệt là thiết bò 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 vó ống và vó ống được hàn dính vào thân. Hơi nước
bão hòa có áp suất 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dòch được bơm vào thiết
bò, 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 dòch lên đến
nhiệt độ sôi.
Dung dòch sau khi được gia nhiệt, sẽ được đưa vào thiết bò 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 đều, các đầu ống được giữ chặt trên vó ống. Trong đó,
hơi đốt sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dòch
chuyển động bên trong ống. Dung dòch đi bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận
nhiệt do hơi đốt 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 đốt và dung dòch.
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 dòch
SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Trang 2


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

còn lại sẽ được hoàn lưu trở lại. Nhờ lưc trọng trường, các hạt chất lỏng to sẽ rơi



ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG:
Ký hiệu
G
W
D
x
i
rD
c
Qtt
QD
p
∆p
t
∆t
tsdd
tsdm
∆th.i
ϕ
∆'
∆"
∆'''

C
%
0
C
0
C
0
C
0
C
m
m
Ngưng tụ
Hơi thứ
Hơi đốt
Đầu
Cuối

SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Ý nghóa
Lưu lượng dung dòch
Lưu lượng hơi thứ
Lưu lượng hơi đốt
Nồng độ khối lượng
Entanpi
Nhiệt hóa hơi của hơi đốt
Nhiệt dung riêng
Nhiệt lượng tổn thất
Nhiệt lượng hơi đốt


W = GC  xC − 1


 xd


(2)

1.2. Tổn thất nhiệt độ:
0
Ở áp suất khí quyển pk dung dòch xđ =10% có nhiệt độ sôi t dd =104.88 C
Ở nhiệt độ đó áp suất hơi nước bão hoà là p2=1.2272 at

* Phương pháp Babo: (CT 5.9-[3])

 p0 
 
p 
 1 t

 pk 

p 
 2 t

=
1

(3)

dd

dm

)] H

(5)

0

ρ

(6)

dd

* p suất ở lớp trung bình:

p

tb

=

p

0

+∆


QD = GcCctc – GđCđtđ – W x iw+ Qt
Với Qt = 0.05QD

(14)

* Chi phí hơi đốt cho quá trình cô đặc:

G

D

=

Q

D

rx(1 − ε )

(15)

* Lượng tiêu hao riêng: (CT 4.8-[4])
d =

D

G

W


Kj/kgđo
3771
ä
Nhiệt dung riêng dd 20%
xC
Kj/kgđo
3352
ä
Entanpi hơi thứ
iw
Kj/kg
2626
Nhiệt lượng do hơi đốt cung
QD
w
2042913
cấp
Chi phí hơi đốt
GD
Kg/s
0.99
Lượng tiêu hao riêng
d
Kg/kg
1.188

SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Ghi chú


δ
λ
μ
ρ
β

Đơn vò
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 nghóa
Cường độ dòng nhiệt
Hệ số truyền nhiệt tổng quát
Nhiệt trở


2.1.1. Hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ:

α = 2.04 A
1

4

r
H∆t1

SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

( V.101-[1])

(17)

Trang 9


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

với ∆t1= tD – tv1

(18)

= tD


2

µ
cµ
=
λ

2

Pr
với ∆t2 = tv2 - tsdd
ta có

q2 =q

1

=

2

g

(22)
(23)
(24)

∆t
ΣR



λNu
d

SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

(28)

(29)
(30)
Trang 10


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

q2 = α2∆t2

(31)

* so sánh
q2 − q1
x100% < 5%

q

(thỏa)

(32)


(34)

D

h .i

* Số ống truyền nhiệt:

n=

F
Π dH

* Bước ống t = 1.2÷1.5d
Chọn t = 1.4d
Thông số

Ký
Đơn vò
Giá trò
hiệu
Hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
0
Nhiệt độ vách ngoài
tv1
C
129.4
0
Chênh lệch nhiệt độ giữa



ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu
2

Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ

α1

w/m độ

9151.47

(17)

Cường độ dòng nhiệt

q1

w/m2

32258.53

(20)

Nhiệt trở lớp cặn phía trong
Nhiệt trở nước
Bề dày lớp truyền nhiệt

Chênh lệch nhiệt độ giữa
∆t2
C
29.26
vách trong và dung dòch
0
Nhiệt độ tb vách ngoài & dd
tm2
C
89.9
3
ρ
Khối lượng riêng
Kg/m
1115.05
β
Hệ số dãn nở thể tích
560x10-3
μ
Độ nhớt của dung dòch
Ns/m2
516x10-3
Nhiệt dung riêng
c
j/kgđộ
3875.2
λ
Hệ số dẫn nhiệt
w/mđộ
0.6764


Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Diện tích bề mặt TN
F
m2
62.77
Đường kính trong của ống
dtr
m
0.034
Đường kính ngoài của ống
d
m
0.038
Số ống truyền nhiệt
n
ng
263
Số ống truyền nhiệt chuẩn
n
ng
271
2
Diện tích bề mặt TN lấy dư
F
m
72
SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Bảng 1-[2]

ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

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

d

(CT 5.12-[3])
(37)

>10

s

d

* Đường kính buồng đốt: (CT 2.90-[3])

D

BD

2 





=

W

(39)

ρ

h

Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:
v=

4V

(40)

h
2

ΠD BB

Chuẩn số Re
Re =

ρ
µ

vd



18.5
0.6

Re

Ta có : v < 70% ÷ 80% v0
SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

(42)

(43)
(44)
Trang 13


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

Thể tích buồng bốc:

V

BB

=

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

(VI.32-[2])


Đơn vò
hiệu
Buồng đốt
ds
m
DBD
m
HBD
m

Khối lượng riêng hơi thứ
Thể tích hơi thứ trong BB
Độ nhớt động học hơi thứ
Đường kính giọt lỏng
Vận tốc hơi
Cường độ bốc hơi
Hệ số hiệu chỉnh
Đường kính buồng bốc
Thể tích buồng bốc
Chiều cao buồng bốc

Buồng bốc
ρh
Kg/m3
Vh
m3/s
μh
Ns/m2
d’
m

0.75v0
1700
0.9
2
10.018
3.2

Tra ở 0.314 at
(39)
Tra
Chọn
Chọn
Chọn
Chọn
(40) (42) (44)
(45)
(46)

Trang 14


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

III. TÍNH BỀN CƠ KHÍ
Ký hiệu
S’
S
D

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)

(47)
(48)

* Xét

[σ]

ϕ≥25
p

⇒S ' =

BD

* p suất tính toán cho phép bên trong thiết bò: ( CT5.11-[5])

SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Trang 15


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

[ p] =

2[σ ]ϕ ( S − C a )
h

D BD + ( S − C a )

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

(52)

>p

3.2. Bề dày buồng bốc:
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)



chọn nắp elip tiêu chuẩn:

h
D

=0.25

t

BB

chiều cao gờ h = 50 (mm)

* Kiểm tra độ ổn đònh của thân: (CT5.15-[5])
1 .5

(

2 S −C a

D

)≤

BB

l'

D


t

BB

(58)

c

* p suất cho phép: (CT5.19-[5])
2

 S −C a  ( S −C )
[ p ] = 0.649 E D 


l' 
D
 D BB 
t

a

BB

>p

(59)

BB


BB

* Xét

D

BB

2( S −C

a

⇒k

)

C

⇒K

C

σ
= 875

E

t
C

σ

n

=

P

CT

Π ( D BB + S ) ( S − C a )

(63)

Ứng suất cho phép chòu nén:

[σ ] = K E ( S − C )
D
t

n

a

C

(64)

BB



GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

* Kiểm tra áp suất cho phép: (CT6.23-[5])

[ p] =

4[σ ]ϕ ( S − C a )

D BD y

>p

(66)

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

h
D

= 0.25

t

BB

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

S

t

≤ 0.15

E

σ

t

t

⇒[ p ] =

[σ ](S −C )

2

C

Thông số

Nhiệt độ làm việc
p suất tính toán
Ứng suất cho phép tiêu
chuẩn
Hệ số hiệu chỉnh
Ứng suất tính toán

152.9
0.196
125

(47)
(48)
Đồ thò1.2-[5]

η
[σ]
φh
’S
Ca
C

0.95
118.75
0.95
1.044
1
1.956

Trang 26-[5]

N/mm
mm
mm
mm

2

Hệ số
Lực nén chiều trục
Kiểm tra độ ổn đònh của
thân khi chòu lực nén chiều
trục
Ứng suất cho phép chòu nén
Ứng suất nén chiều trục
Kiểm tra độ ổn đònh khi chòu
đồng thời áp suất ngoài và
PCT

p suất tính toán
Bề dày đáy
p suất cho phép
SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

mm
4
0.1 > 0.0025
N/mm2
p < 0.563

S
[p]

Buồng bốc
0
t

10.982
mm
1
mm
2.018
mm
14
8.77 > 1.6917 > 1.171
0.389 < 1.692

(50)
Thỏa
Thỏa

(53)
(54)
Hình1.2-[5]
Bảng 1.6-[5]

2

[p]
kC
KC
PTC

N/mm2

[σn]
σn


(57)-Thỏa
(58)-Thỏa
(59)-Thỏa

(60)
(62)-Thỏa

(64)
(63)
(65)-Thỏa

Chọn pđáy = pBD
Chọn Sđáy = SBD
(66)-Thỏa
Trang 19


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

Nắp elíp
p
N/mm2
S
mm
β
[p]
N/mm2


4V
Πv

(70)

Thông số

Ký
Đơn vò
Giá trò
hiệu
Đường kính cửa ra của hơi thứ
vh
Tốc độ hơi thứ
m/s
30
3
Khối lượng riêng hơi thứ
ρh
Kg/m
0.19572
3
V
Thể tích hơi thứ
m /s
4.258
dh
Đường kính ống
m

3
Qc
Suất lượng tháo liệu
m /s
0.743x10-3
dtl
Đường kính ống tháo liệu
m
0.03

Ghi chú

Trang 74-[2]
Tra ở 0.314 at

Chọn

Chọn

Đường kính ống vào của hơi đốt
SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Trang 20


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

Vận tốc hơi đốt
Khối lượng riêng hơi đốt
Chi phi hơi đốt

Khối lượng riêng nước
Kg/m
932.3
ngưng
Vn
Lưu lượng nước ngưng
m3/s
1.062x10-3
dn
Đường kính ống tháo nước
m
0.04

Đường kính

Đường kính ra của khí không ngưng
dk
m
0.02

Tra ở 3 at

Làm tròn

Chọn
Tra ở 3 at

Làm tròn

Chọn

2160

h
40

δđệm
3

DBB
1200

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

δđệm
3


U

U

U

(CT 5.43-[5])

(72)

a

* Ứng suất uốn:

[σ ] = 0.17 E (S −C )
D
t

(CT 5.40-[5])

a

U

(73)

BD

* Bề dày vó ống:



2





≤

[σ ]
U

(76)

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

S≥

4.35d + 15
l−d
Thông số

p suất tính toán trong vỉ
Hệ số
Hệ số
ng suất uốn cho phép
Bề dày tối thiểu
Bề dày thực
Kiểm tra lại ứng suất uốn

4.696 < [σU]
12 > 7.4265

Ghi chú
(71)
(72)
(73)
(74)
(75)
(76)-Thỏa
(77)-Thỏa

VII. TAI TREO:
SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Trang 22


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

Khối lượng tai treo cần chòu:
M = Mtb + Mdd

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

(78)

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

(81)

+ Khối lượng ống truyền nhiệt:
M = n H BD ρ

Π
4

(d

2

2

− d tr

)

(82)

+ Khối lượng ống tuần hoàn:
M = H BD ρ

Π
4

(d

2
n

V = VBB + VốngTN + VốngTH + Vđáy

(86)
(87)

M = hρ

V
V

BB

TH

=

=

2

Π
2
D
BB
4

H

BB



Chọn 4 tai treo, nên trọng lượng trên 1 tai treo là

G=

9.81M
4

(91)

Thông số

Ký
hiệu

Đơn vò

Giá trò

Ghi chú

Diện tích nắp
Diện tích đáy
Khối lượng riêng X18H10T
Khối lượng riêng CT3
Khối lượng nắp
Khối lượng đáy
Khối lượng buồng đốt
Khối lượng buồng bốc
Khối lượng 2 vó ống

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


Gx10
4

-4

4

Fx10
279

-6

q=10
1.34

Tai treo (BảngXIII.36-[2])
L
B
B1
H
S
190 160 170 280 10

SVTH: Nguyễn Thò Băng Tâm

Bảng XIII.10-[2]
Bảng XIII.22-[2]

(79)


Trang 24


ĐAMH: Qúa trình & Thiết bò

GVHD: TS.Lê Phan Hoàng Chiêu

VIII. BẢNG LIỆT KÊ KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH:
Thông số
Vật liệu
Chiều cao
Đường kính
Bề dày
Thông số
Vật liệu
Chiều cao
Đường kính
Bề dày
Chiều cao gờ
Thông số

Đường kính cửa ra hơi thứ
Đường kính ống nhập liệu
Đường kính ống tháo liệu
Đường kính ống vào hơi đốt
Đường kính ống ra nước
ngưng
Đường kính ống ra khí
không ngưng

2
1.2
0.014
0.004
0.05
0.05

m
m
m
m

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

Buồng đốt


m
n
ng

Giá trò

0.425
0.045
0.030
0.200
0.040
0.020

Giá trò

72
0.034
0.038
271

Trang 25