Đồ án môn học Máy Thiết bị ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Lời nói đầu Ngày nay, cơng nghiệp sản xuất hóa chất ngành cơng nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác Một sản phẩm quan tâm sản xuất nhiều Kali hydroxyt (KOH) khả sử dụng rộng rãi Trong qui trình sản xuất KOH, q trình đặc thường sử dụng để thu dung dịch KOH có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ Nhiệm vụ cụ thể Đồ án môn học thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn dung dịch KOH từ nồng độ 25% đến nồng độ 40%, suất 2.5m3/mẻ, sử dụng ống chùm Có thể nói thực Đồ án môn học hội tốt cho sinh viên ơn lại tồn kiến thức học q trình cơng nghệ hóa học Ngồi cịn dịp mà sinh viên tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính tốn thiết kế chi tiết thiết bị với số liệu cụ thể thực tế Tuy nhiên cịn sinh viên nên kiến thức thực tế cịn hạn hẹp q trình thực đồ án khó tránh thiếu xót Em mong góp ý dẫn thầy cô bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chun mơn Đồ án thực giúp đỡ hướng dẫn trực tiếp thầy Lê Xuân Hải, thầy cô môn Máy Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học Dầu khí trường Đại học Bách khoa thành phố Hố Chí Minh Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Xuân Hải thầy cô khác bạn bè giúp đỡ em trình thực đồ án SVTH : trang Đồ án môn học Máy Thiết bị CHƯƠNG I GIỚI GVHD : TSKH Lê Xuân Hải THIỆU TỔNG QUAN I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Nhiệm vụ cụ thể Đồ án môn học thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn dung dịch KOH từ nồng độ 25% đến nồng độ 40%, suất 2.5m3/mẻ, sử dụng ống chùm II TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU - KOH khối tinh thể suốt, màu trắng, ăn da mạnh - Nhiệt độ nóng chảy 360.40C (khan) - Nhiệt độ sôi 13250C (khan) - Độ nhớt 1.63 Cp 200C (dung dịch 20%) - Nó hấp thu mạnh ẩm CO2 khơng khí, dễ chảy rữa thành K2CO3 KOH dễ dàng tan nước, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch KOH (dạng dung dịch sử dụng nhiều) Ap suất nước KOH nhiệt độ phòng 0.002 mmHg III CƠ ĐẶC Định nghĩa Cơ đặc phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ cấu tử dung dịch hai hay nhiều cấu tử Tùy theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay q trình đó) ta tách phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt hay phương pháp làm lạnh kết tinh Cô đặc q trình làm tăng nồng độ chất rắn hịa tan dung dịch cách tách bớt phần dung môi qua dạng Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường kết tinh dung mơi để tăng nồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử áp suất bên tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp phải dùng đến máy lạnh Phân loại ứng dụng a Theo cấu tạo SVTH : trang Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xn Hải • Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng đặc dung dịch lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hồn tự nhiên dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm: - Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), có ống tuần hồn ngồi - Có buồng đốt ngồi ( khơng đồng trục buồng bốc) • Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Gồm: - Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi - Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi • Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm dung dịch nước trái cây,hoa ép…Gồm: - Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ - Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt bọt dễ vỡ b Theo phương pháp thực q trình Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất khơng đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt không cao Cơ đặc áp suất chân khơng: Dung dịch có nhiệt độ sôi 100oC, áp suất chân không Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn, bay nước liên tục Cơ đặc nhiều nồi: Mục đích tiết kiệm đốt Số nồi không nên lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp Đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế Cô đặc liên tục: Cho kết tốt đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, chưa có cảm biến tin cậy Ưu điểm nhược điểm cô đặc chân khơng gián đoạn • Ưu điểm - Giữ chất lượng, tính chất sản phẩm, hay cấu tử dễ bay - Nhập liệu tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng - Thao tác dễ dàng - Có thể đặc đến nồng độ khác - Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch - Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp • Nhược điểm - Q trình khơng ổn định, tính chất hóa lý dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian SVTH : trang Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải - Nhiệt độ thứ thấp, khơng dùng cho mục đích khác - Khó giữ độ chân khơng thiết bị IV QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Thuyết minh quy trình cơng nghệ - Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0.65 at - Sau bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 25% từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc bơm ly tâm Quá trình nhập liệu diễn vịng 15 phút đến nhập đủ 2.5m3 ngừng - Khi nhập liệu đủ 2.5m3 bắt đầu cấp đốt (là nước bão hòa áp suất at) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm) ống tuần hồn trung tâm có đường kính lớn Dung dịch chảy ống gia nhiệt đốt ngồi ống Dung dịch ống sơi tuần hoàn qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn có đường kính lớn ống truyền nhiệt nên dung dịch ống tuần hồn sơi ống truyền nhiệt, khối lượng riêng dung dịch ống tuần hoàn lớn khối lượng riêng dung dịch ống truyền nhiệt tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt) Dung môi nước bốc ngồi qua ống dẫn thứ sau qua buồng bốc thiết bị tách giọt Hơi thứ dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet ngưng tụ nước lạnh, sau ngưng tụ thành lỏng chảy ngồi bồn chứa Phần khơng ngưng dẫn qua thiết bị tách giọt để cịn khí khơng ngưng bơm chân khơng hút Hơi đốt ngưng tụ chảy qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy xả ngồi - Q trình tiếp tục đến đạt nồng độ 40% (sau thời gian cô đặc tính: 45 phút) ngưng cấp Mở van thơng áp, sau tháo sản phẩm cách mở van tháo liệu Các thiết bị lựa chọn quy trình cơng nghệ a Bơm Bơm sử dụng quy trình cơng nghệ gồm: bơm ly tâm bơm chân không + Bơm ly tâm cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng có cánh hướng dòng Bánh guồng gắn trục truyền động Ống hút ống đẩy Bơm ly tâm dùng để bơm dung dịch KOH từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc + Bơm chân không dùng để tạo độ chân không hệ thống bắt đầu làm việc b Thiết bị cô đặc Đây thiết bị quy trình cơng nghệ Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc buồng đốt Bên buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ ống tuần hồn trung tâm có đường kính lớn Tác dụng buồng đốt để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng thành giọt lỏng rơi trở lại, dẫn qua ống dẫn thứ Ống tuần hoàn sử dụng để tạo dịng chảy tuần hồn thiết bị c Thiết bị ngưng tụ SVTH : trang Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Thiết bị ngưng tụ sử dụng quy trình cơng nghệ loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet) Chất làm lạnh nước đưa vào ngăn thiết bị Thiết bị thường làm việc áp suất chân khơng nên phải đặt độ cao cần thiết để nước ngưng tự chảy ngồi khí mà khơng cần máy bơm d Thiết bị tách lỏng Thiết bị tách lỏng đặt sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách cấu tử bay cịn sót lại, chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng vào bơm chân không e Các thiết bị phụ trợ khác - Bẫy - Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, loại van SVTH : trang SVTH : P T P 13 14 10 T 12 11 P 17 16 15 19 20 18 BẪ HƠI Y Ố G THÁ NƯỚ NGƯNG N O C Ố G XẢ N KHÍ KHÔ G NGƯNG N THIẾ BỊCÔ C T ĐẶ trang X18H10T Ố G THÔ G Á N N P SL BỒ CHỨ NGUYÊ LIỆ N A N U TÊ GỌ N I STT VẬ LIEÄ T U X18H10T X18H10T X18H10T X18H10T MA I A NH DŨG N LÊ UA Â HẢ X N I VŨ MINH BÁ Họ tê n SVTT GVHD CNBM Chứ năg c n Chữ ký BẢ VẼ N QUI TRÌNH CÔ G NGHỆ N Ngà BV y 28/06/05 Bả vẽ : n số 02 Ngà HT y 22/06/05 Tỉ : lệ THIẾ KẾ T THIẾ BỊCÔ C CHÂ KHÔ G GIÁ ĐOẠ T ĐẶ N N N N DUNG DỊ KOH NĂ G SUẤ 2.5m /me û CH N T Đồ n mô họ Quá n c trình Thiếbị t 1 BƠM NHẬ LIỆ P U d=160, δ=5 Ố G NHẬ LIỆ N P U Ố G DẪ HƠI ĐỐ N N T ĐẦ THỬ N PHẨ U SẢ M d=50, δ=3.5 X18H10T X18H10T Ố G DẪ HƠI THỨ N N ĐẶ TÍNH KỸ C THUẬ T X18H10T Á KẾ P NHIỆ KẾ T Trườg Đạ họ Báh Khoa Tp.Hồ Minh n i c c Chí Khoa Côg Nghệ n Hoá c họ BỘ N MÁ VÀ MÔ Y THIẾ BỊ T X18H10T X18H10T X18H10T X18H10T 1 d=400, δ=13 d=25, δ=3.5 10 11 BỒ CHỨ SẢ PHẨ N A N M 14 12 THIẾ BỊNGƯNG TỤBAROMET T 15 13 D=500, Η=4900 Ố G DẪ NƯỚ VÀ N N C O 16 1 d=100 Ố G DẪ HƠI THỨ O N N VÀ 1 d=300 BƠM CHÂ KHÔG N N BỂ CHỨ NƯỚ NGƯNG A C THIẾ BỊTHU HỒ T I 20 17 18 19 Đồ án mơn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải CHƯƠNG II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH A CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các số liệu ban đầu: • Dung dịch KOH có: - Nhiệt độ đầu 25oC, nồng độ đầu 25% - Nồng độ cuối 40% • Chọn đốt nước bão hòa áp suất 3at • Ap suất ngưng tụ: Pck = 0.65 at Cô đặc gián đoạn với suất 2.5m3/mẻ Khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ Nồng độ, % Khối lượng riêng, kg/m3 25 30 35 40 1239 1291 1344 1399 Cân vật chất cho giai đoạn G đ= G c + W Gđ.xđ = Gc.xc Trong G đ , Gc : lượng dung dịch đầu cuối giai đoạn, kg W : lượng thứ bốc lên giai đoạn, kg : nồng độ đầu cuối giai đoạn xđ , xc Gđ.xđ, Gc.xc: khối lượng KOH dung dịch, kg a Giai đoạn 25% đến 30% Gđ = 2.5m3 = 2.5*1239 = 3097.5 kg xđ = 0.25 ; xc = 0.3 • Lượng sản phẩm ( dung dịch KOH 30% ) G c = Gđ xñ 0.25 = 30975 * = 2581 25 kg 0.3 xc • Lượng thứ W = Gđ - Gc = 3097.5 – 2581.25 = 516.25 kg b Giai đoạn 30% đến 35% Gđ = 2581.25 kg ; xđ = 0.3 ; xc = 0.35 x 0.3 = 2212 kg ⇒ Gc = Gñ ñ = 258125* xc 0.35 W = Gđ – Gc = 2581.25 – 2212.5 = 368.75 kg c Giai đoạn 35% đến 40% Gđ = 2212.5 kg ; xđ = 0.35 ; xc = 0.4 SVTH : trang Đồ án môn học Máy Thiết bị ⇒ G c = Gñ GVHD : TSKH Lê Xuân Hải xñ 0.35 = 22125 * = 19359375 kg xc 0.4 W = 2212.5 – 1935.9375 = 276.5625 kg • Tổng lượng thứ bốc Wt = 516.25 + 368.75 + 276.5625 = 1161.5625 kg • Ta có bảng tóm tắt kết cân vật chất Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40 Thể tích dung dịch nồi, m3 2.5 1.65 1.38 3097.5 2581.25 2212.5 1935.9375 516.25 885 1161.5625 1239 1291 1344 1399 Khối lượng dung dịch, kg Lượng thứ bốc hơi, kg Khối lượng riêng dung dịch, kg/m3 II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Ap suất thiết bị ngưng tụ Po = 0.35 at ⇒ Nhiệt độ thứ thiết bị ngưng tụ to = 72.05oC ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ) Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc thiết bị ngưng tụ Δ''' = 1K ⇒ Nhiệt độ thứ buồng đốt t1 = 72.05 + = 73.05oC Đây nhiệt độ sôi dung môi (là nước) mặt thoáng dung dịch t sdm( P1 ) = 73.05oC ⇒ Ap suất mặt thoáng dung dịch buồng bốc P1 = 0.3636 at ≈ 0.36 at (Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1]) Các tổn thất nhiệt độ – Nhiệt độ sơi dung dịch Ta có tổn thất nhiệt độ sôi theo nồng độ dung dịch KOH áp suất khí (Bảng VI.2 trang 61 Tài liệu [2]) Từ suy nhiệt độ sơi dung dịch KOH áp suất khí theo nồng độ là: Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40 Δ' Pa, oC 10 12.2 17 23.6 Nhiệt độ sôi dung dịch Pa, oC 110 112.2 117 123.6 a Xác định tổn thất nhiệt độ nồng độ nhiệt độ sôi dung dịch KOH theo nồng độ áp suất P1 = 0.3636 at Theo phương pháp Babo ( Công thức 5.9 trang 150 Tài liệu [3] ) ⎛ Pdd ⎞ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = ⎜ Pdd ⎟ ⎜ PH O ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ t1 ⎝ PH 2O ⎠ t SVTH : trang Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải * Xét dung dịch KOH 25% Nhiệt độ dung dịch KOH 25% Pa = 1.033 at 110oC Ở 110oC áp suất nước bão hòa 1.461 at ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] ) Ta cần xác định nhiệt độ sôi dung dịch P1 = 0.3636 at ⎛ Pdd ⎞ ⎛ Pdd ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ ⎜ PH O ⎟ ⎜ PH O ⎟ ⎝ ⎠ t ⎝ ⎠110 0.3636 1.033 = PH 2O( t ) 1.461 ⇒ PH 2O( t ) = 0.514 at Vậy nhiệt độ sôi nước 0.51 at t = 81.54oC ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [2] ) ⇒ Nhiệt độ sôi dung dịch KOH 25% P1 = 0.3636 at 81.54oC Tổn thất nhiệt độ sôi Δ' = 81.54 − 73.05 = 8.49oC Tính tương tự nồng độ 30%, 35%, 40% ta kết sau: 25 30 35 40 Nhiệt độ sôi dung dịch, oC 81.54 83.43 87.36 92.96 Tổn thất Δ' , oC 8.49 10.38 14.31 19.91 Nồng độ dung dịch, % b Tổn thất nhiệt độ hiệu ứng thủy tĩnh Δ'' Nhiệt độ sôi dung dịch áp suất trung bình Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4] Δ'' = t sdd( Ptb ) − t sdd( P1 ) = t sdm( Ptb ) − t sdm( P1 ) Với: Ptb = P1 + 0.5 ρ hh g.Hop = P1 + Δ P • Δ P = 0.5 ρ hh g.Hop Trong ρ dd : Khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối nhiệt độ t sdd( P1 + ΔP) • ρ hh = ρ dd • Hop : Chiều cao lớp chất lỏng sôi Trong thiết bị tuần hoàn tự nhiên ( Hop = [0.26 + 0.0014 ρ dd − ρ dm )].H o Với Ho Chiều cao ống truyền nhiệt ρ dm : Khối lượng riêng dung môi tsdm : * Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho = 1.5m Tính cho trường hợp dung dịch KOH 25% Do khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số ρ dd − ρ dm thay đổi không đáng kể nên ta chọn tra ρ dd , ρ dm 15oC ρ dm = 999kg / m SVTH : trang 10 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đường kính 50 mm Bề dày 3.5 mm Chiều dài ống 100 mm Ống cửa tháo liệu Thời gian tháo liệu Ttl = 15 phút = 900 s 1.38 Lưu lượng tháo liệu Vtl = = 1.53 m3/s 900 Chọn vận tốc dung dịch ống ω = 1.5 m/s (trang 74 Tài liệu [2]) ⇒ Đường kính ống tháo liệu * 1.38 = 0.036m = 36 mm π * 1.5 * 900 Chọn ống tháo liệu Đường kính 40 mm Bề dày 2.5 mm Chiều dài 100 mm d tl = Ống dẫn thứ Thời gian cô đặc (lấy giai đoạn đầu) T1 = 936.8 s Lượng thứ giai đoạn đầu 516.25 kg Vậy lưu lượng thứ 516.25 = 2.478m3/s ( ρ hơithứ= 0.2224kg/m3) V ht = 0.2224* 936.8 Chọn vận tốc ống vht = 20 m/s ⇒ đường kính ống dẫn thứ d ht = 4.V ht * 516.25 = = 0.397 m = 397 mm π v ht π * 20 * 0.2224* 936.8 Chọn dht = 400 mm Bề dày S = 13 mm Chiều dài 150 mm Ống dẫn đốt Thời gian cô đặc gia nhiệt T =44.5 phút = 2670 s Lượng đốt D = 1698.95 kg Khối lượng riêng đốt at ρ hñ = 1.628kg/m3 ⇒ lưu lượng đốt 169895 = 0.39 m3/s 1.628* 2670 Chọn vận tốc đốt vhđ = 20 m/s ⇒ đường kính ống dẫn đốt V hñ = D/( ρ hñ T ) = SVTH : trang 36 Đồ án môn học Máy Thiết bị d hñ = 4.V hñ = π v hñ GVHD : TSKH Lê Xuân Hải * 0.39 = 0.157m = 157 mm π * 20 Chọn dhđ = 160 mm Bề dày S = mm Chiều dài 130 mm Ống dẫn nước ngưng Lượng nước ngưng mn = 1698.95 kg Thời gian ngưng T =44.5 phút = 2670 s Khối lượng riêng nước ngưng 132.9oC ρ n = 932.277kg/m3 ⇒ lưu lượng nước ngưng 169895 Vnn = 6.83* 10− 2670* 932.277 Chọn vận tốc nước ngưng chảy ống vnn = 1.5 m/s ⇒ đường kính ống dẫn nước ngưng d nn = 4.Vnn = π v nn * 6.83* 10−4 = 0.024m = 24 mm π * 1.5 Chọn dnn = 25 mm Bề dày S = 3.5 mm Chiều dài 90 mm • Tóm tắt đường ống dẫn cửa Ống Đường kính trong, mm Bề dày, mm Chiều dài, mm Nhập liêu 50 3.5 100 Tháo liệu 40 2.5 100 Hơi thứ 400 13 150 Hơi đốt 160 130 Nước ngưng 25 3.5 90 CHƯƠNG III CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ PHỤ I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET Chi phí nước để ngưng tụ Công thức 4.39 trang 188 Tài liệu [4] i − cn t n2 Gn = W cn (t n2 − t n1 ) Trong Gn : lượng nước cần cung cấp, kg SVTH : trang 37 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải W i : lượng thứ cần ngưng, kg : entanpi thứ áp suất ngưng tụ 0.35 at, J/ kg i = 2626*103 J/kg (bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1]) : nhiệt dung riêng trung bình nước, J/kg độ cn cn =4178 J/kg độ tn1, tn2: nhiệt độ vào nước, oC tn1 = 25oC tn2 = 60oC ⇒ G n = 11615625* 2626* 103 − 4178* 60 = 188681 kg 4178* (60 − 25) Lượng không khí bơm hút từ thiết bị ngưng tụ - Theo công thức 4.40 trang 188 Tài liệu [4] Gkk = 0.01*W + 2.5*10-5*(W + Gn) Trong W : lượng thứ cần ngưng, kg Gn : lượng nước cần cho ngưng tụ, kg Gkk : lượng khơng khí cần hút, kg ⇒ G kk = 0.01* 11615625+ 2.5 * 10−5 * (11615625+ 188681) = 12.12 kg - Thể tích khơng khí cần hút (cơng thức VI.49 trang 84 Tài liệu [2]) 288* G kk * (273+ t kk ) V kk = P − Ph Với tkk : nhiệt độ khơng khí oC Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô (công thức VI.50 trang 84 Tài liệu [2]) tkk = tn1 + + 0.1*(tn2 – tn1) = 25 + + 0.1*(60 – 25) = 32.5oC P : áp suất hỗn hợp thiết bị ngưng tụ, N/m2 P = 0.35 at = 34335 N/m2 Ph : áp suất riêng phần nước hỗn hợp, lấy áp suất bão hoà tkk Ph = 0.0503 at = 4934.43 N/m2 - Vậy thể tích khơng khí cần hút 288* 12.12 * (273+ 32.5) Vkk = = 36.27 m3 34335− 493443 Thể tích khơng khí cần hút 0oC 760 mmHg Vkk1 = 0.001*(0.02*(W+Gn)+8W) = =0.001*(0.02*(18868.1+1161.5625)+8*1161.5625) = 9.69 m3 Đường kính thiết bị ngưng tụ - Theo cơng thức VI.52 trang 84 Tài liệu [2] D tr (NT ) = 1.383* SVTH : W ρ h * ωh trang 38 Đồ án môn học Máy Thiết bị Với W GVHD : TSKH Lê Xuân Hải : lưu lượng ngưng, kg/s W= ρh 11615625 = 0.48 kg/s 2400 : khối lượng riêng áp suất 0.35 at ρ h = 0.2166 kg/m3 (trang 314 Tài liệu [1]) ωh : tốc độ hơi, m/s Chọn ω h = 20 m/s Dtr(NT) : đường kính thiết bị ngưng tụ 0.48 = 0.46 m 0.2166* 20 - Chọn đường kính thiết bị ngưng tụ 500 mm D tr (NT ) = 1.383* Kích thước ngăn - Tấm ngăn dạng hình viên phân - Chiều rộng ngăn b D tr (NT ) 500 b= + 50 = + 50 = 300 mm 2 - Trên ngăn đục nhiều lỗ nhỏ - Nước làm nguội nước - Lấy đường kính lỗ dlỗ = mm - Tổng diện tích lỗ cặp ngăn G f = n , công thức VI.54 trang 85 Tài liệu [2] ωc Gn : lưu lượng nước, m/s 188681 Gn = = 7.86 kg/s 2400 ω c : tốc độ tia nước, m/s Chọn chiều cao gờ ngăn 40 mm nên ω c =0.62 m/s 7.86 * 106 = 1298158 mm2 0.62 * 976.57 Với ρ n = 976.57 kg/m3 72.05oC ⇒f = - Số lỗ n n= 4.f * 1298158 = = 4133 lỗ π*4 π d loã - Chọn chiều dày ngăn mm - Các lỗ xếp theo hình lục giác 0.5 ⎛f ⎞ - Bước lỗ t = 0.866* d loã* ⎜ c ⎟ , mm ⎜f ⎟ ⎝ tb ⎠ SVTH : trang 39 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải fc tỉ số diện tổng diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ f tb f c 1298158 = = 0.066 f tb 5002 π* - Vậy bước lỗ t = 0.866* * 0.0660.5 = 0.44 mm Chiều cao thiết bị ngưng tụ - Mức độ đun nóng nước ( công thức VI.56 trang 85 Tài liệu [2]) t −t 60 − 25 P = n2 n1 = = 0.744 t o − t n1 72.05 − 25 - Tra bảng VI.7 trang 86 Tài liệu [2] với đường kính tia nước mm Số bậc Số ngăn Khoảng cách ngăn 400 mm Thời gian rơi qua bậc 0.41 s - Chọn khoảng cách ngăn giảm dần từ lên sau 400 mm, 350 mm, 300 mm, 250mm, 200 mm, 150mm, 100 mm - Khoảng cách từ ngăn nắp thiết bị 1300 mm - Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị 1200 mm - Nắp elip tiêu chuẩn có gờ, đuờng kính 500 mm Chiều cao gờ 50 mm Chiều cao phần elip 125 mm - Đáy nón tiêu chuẩn có gơ, góc đáy 60oC, đuờng kính 500 mm Chiều cao gờ 50 mm Chiều cao phần nón 450 mm - Vậy chiều cao thiết bị ngưng tụ Hnt = 125 + 25 +1300 + 100 +150 +200 +250 +300 +350 +400 +1200 +50 +450 =4900 mm = 4.9 m Đường kính ống baromet Theo công thức VI.57 trang 86 Tài liệu [2] 0.004* (G n + W ) ,m π *ω Với W : lưu lượng ngưng, kg/s Gn : lưu lượng nước lạnh tưới vào tháp, kg/s ω : tốc độ hỗn hợp nước ngưng chảy ống, thường lấy ω =0.5 → 0.6 m/s Vậy chọn ω = 0.55 m/s : đường kính ống baramet, m db db = db = SVTH : 0.004* (7.86 + 0.48) = 0.139m π * 0.55 trang 40 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Chọn đường kính ống baromet db = 150 mm Chiều cao ống baromet H = h1 + h2 + 0.5 , m (công thức VI.58 trang 86 Tài liệu [2]) h1 : chiều cao cột nước ống baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ h2 : chiều cao cột nước ống dẫn cần để khác phục toàn trở lực nước chảy ống - Tính h1 P' , m (cơng thức Vi.59 trang 86 Tài liệu [2]) 760 P’ độ chân không thiết bị ngưng tụ P’ = 0.65 at = 477.75 mmHg 477.75 = 6.49m ≈ 6.5 m h1 = 10.33* 760 - Tính h2 h1 = 10.33* h2 = ω2 ⎛ ⎞ H ⎜1 + λ + Σξ ⎟ , m (công thức VI.60 trang 87 Tài liệu [2]) ⎜ ⎟ 2g ⎝ db ⎠ Lấy ξ = ξ + ξ = 1.5 ξ = 0.5 hệ số trở lực vào ống ξ = hệ số trở lực khỏi ống H : chiều cao ống baromet, m db : đường kính ống baromet, db = 0.15 m λ : hệ số trở lực ma sát nước chảy ống ω.ρ d Re = μ Với ω = 0.55 m/s vận tốc nước chảy ống d = 0.15 m đường kính ống baromet ρ = 983.2 kg/m3 khối lượng riêng nước 60oC μ = 0.47* 10−3 Ns/m2 độ nhớt động lực nước 60oC 0.55* 983.2 * 0.15 = 81114> 105 0.47 * 10−3 0.221 ⇒ λ = 0.0032+ = 0.017 811140.227 ⇒ Re = h2 = - chế độ chảy rối 0.552 ⎛ H ⎞ + 1.5⎟ = 0.0385+ 1.75* 10−3 H ⎜1 + 0.017* * 9.81⎝ 0.15 ⎠ Tính H H= 6.5 + 0.0385 + 1.75*10-3H ⇒ H = 6.55 m SVTH : trang 41 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Chọn H= m Các kích thước khác - Chiều dày thành thiết bị mm - Lỗ vào 300 mm - Lỗ nước vào 100 mm - Hỗn hợp khí nối với thiết bị thu hồi 80 mm - Đường kính ống nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet 50 mm - Khoảng cách từ tâm thiết bị ngưng tụ đến tâm thiết bị thu hồi 675 mm - Đường kính thiết bị thu hồi 400 mm - Chiều cao thiết bị thu hồi 1440 mm - Hỗn hợp khí khỏi thiết bị thu hồi 50 mm - Ống thơng khí 50 mm II BƠM Bơm chân khơng o Tốc độ hút bơm chân không 0oc 760 mmHg SB = 9.69/40 = 0.24 m3/ph = 14.535 m3/h Công suất bơm chân không m −1 ⎤ ⎡ ⎛ p2 ⎞ m V m N = kk p1 ⎢⎜ ⎟ − 1⎥ ⎥ η ck t m − ⎢⎜ p1 ⎟ ⎥ ⎢⎝ ⎠ ⎦ ⎣ m : số đa biến, thường m = 1.2 1.62 Lấy m = 1.3 p1 : áp suất trước nén p1 = P – Ph = 0.35 – 0.05 = 0.3 at Ph = 0.05 áp suất nước hỗn hợp : áp suất sau nén P2 = Pa = at = 9.81*104 N/m2 p2 Vkk : thể tích khơng khí cần hút, m3 t : thời gian cô đặc, s η ck : hệ số hiệu chỉnh, η ck = 0.8 1.3−1 ⎤ ⎡ 36.27 1.3 ⎛ ⎞ 1.3 ⎢⎜ N= * 0.3 * 9.81* 10 * − 1⎥ = 771.58 W ⎟ ⎥ ⎢⎝ 0.3 ⎠ 0.8 * 24001.3 − ⎦ ⎣ Chọn bơm chân không Hiệu bơm KBH-4 Tốc độ hút 0oC 760 mmHg: 0.4 m3/ph Ap suất giới hạn: 110 mmHg Công suất động 1.5 kW Khối lượng bơm 38 kg Bơm nhập liệu SVTH : trang 42 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải ♦ Công suất bơm N= Q.H.ρ g 1000η Q : lưu lượng nhập liệu, m3/s 2.5 Q= = 0.00278 m3/s 900 H : cơt áp bơm, m Phương trình Bernoulli cho mặt cắt 1-1 (mặt thoáng bể chứa nguyên liệu) 2-2 (miệng ống nhập liệu) Z1 + p1 γ + α v1 2g + H = Z2 + p2 γ + α v 2 2g + h1-2 Trong • Z1 , Z2 : chiều cao hình học mặt cắt so với đất Chọn Z1 = m, Z2 = 6.5 m p1,p2 : áp suất mặt cắt p1 = p2 = at • : vận tốc dung dịch mặt cắt, m/s • v1,v2 v1 = v2 = v : vận tốc dung dịch ống, m/s • h1-2 : tổng tổn thất ống, m Ta có h1−2 = v2 ⎛ l ⎞ ⎜λ + ξ ⎟ 2g ⎝ d ⎠ ξ : tổng hệ số tổn thất cục ξ = ξ vaøo+ 2.ξ khuùc 90 + 2.ξ van + ξ = 0.5 + * 1.19 + * 0.5 + = 4.88 quanh l, d : chiều dài, đường kính ống nối bơm, m λ : hệ số ma sát Xác định λ Chọn đường kính d = dhút = dđẩy = dnl = 50 mm Vận tốc chảy ống 4.Q v= = = 1.415m/s π d π * 0.052360 v.d.ρ 1.415* 0.05* 1239 = = 669155 Chuẩn số Re = μ 1.31* 10−3 ρ : khối luợng riêng dung dịch KOH 25%, kg/m3 μ : độ nhớt động lực dung dịch KOH 25%, Pa.s Chọn độ nhám ống thép ε = 0.2 mm Với 8 ⎛ d⎞7 ⎛ 50 ⎞ Regh = 6.⎜ ⎟ = * ⎜ ⎟ = 330107 ⎝ε ⎠ ⎝ 0.2 ⎠ 9 ⎛ d⎞8 ⎛ 50 ⎞ Ren = 220.⎜ ⎟ = 220* ⎜ ⎟ = 1096744 ⎝ε ⎠ ⎝ 0.2 ⎠ SVTH : trang 43 GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đồ án môn học Máy Thiết bị Vậy Regh < Re < Ren nên 0.25 0.2 100 ⎤ ε 100⎤ ⎡ ⎡ + = 0.1⎢1.46 * + ⎥ d Re ⎦ 50 669155⎥ ⎦ ⎣ ⎣ Chiều dài đường ống từ bể lên cửa nhập liệu l = m ⇒ Tổng tổn thất áp suất λ = 0.1⎢1.46 * h1−2 = 0.25 = 0.029 1.4152 ⎛ ⎞ * ⎜ 0.029* + 4.88⎟ = 0.91 m * 9.81 ⎝ 0.05 ⎠ Chọn α = α = ⇒ Cột áp bơm H = (Z2 – Z1) + p2 − p1 γ + v2 1.4152 + h1−2 = 6.5 − + + 0.91 = 5.51 m 2g * 9.81 ♦ Công suất bơm 5.51* 1239* 9.81 = 0.23 kW 360* 1000* 0.8 ♦ Chọn bơm theo bảng 1.7 trang 35 Tài liệu [4] Hiệu bơm : X20/18 Lưu lượng Q = 5.5*10-3 m3/s Cột áp H = 10.5 m Số vòng n = 48.3 v/ph Động điện : Loại A02-31-2 Công suất N = kW Hiệu suất η ñ = 0.83 N= Bơm vào thiết bị ngưng tụ ♦ Công suất bơm Q.H.ρ n g N= 1000η ρ n : khối lượng riêng nước 25oC, ρ n =996.9 kg/m3 η : hiệu suất bơm, η = 0.8 Q : lưu lượng nhập liệu, m3/s G 188681 Q= n = = 7.89* 10−3 m3/s ρ n t 996.9 * 2400 t : thời gian cô đặc, s H : cơt áp bơm, m Phương trình Bernoulli cho mặt cắt 1-1 (mặt thoáng bồn chứa nước vào thiết bị ngưng tụ) 2-2 (mặt thoáng cửa vào ống dẫn nước) Z1 + p1 γ Trong • Z1 , Z2 SVTH : + α v1 2g + H = Z2 + p2 γ + α v 2 2g + h1-2 : chiều cao hình học mặt cắt so với đất Chọn Z1 = m, Z2 = 12 m trang 44 GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đồ án môn học Máy Thiết bị • p1 : áp suất mặt cắt 1-1, p1 = at • p2 p1 : áp suất mặt cắt 2-2, p2 = 0.35 at • • γ = 10 mH2O p2 γ = 3.5 mH2O v1,v2 : vận tốc nước mặt cắt, m/s v1 = v2 = v : vận tốc nước chảy ống, m/s h1-2 : tổng tổn thất ống, m Ta có h1−2 = v2 ⎛ l ⎞ ⎜λ + ξ ⎟ 2g ⎝ d ⎠ ξ : tổng hệ số tổn thất cục ξ = ξ vào+ 2.ξ khúc 90 + 2.ξ van + ξ = 0.5 + * 1.19 + * 0.5 + = 4.88 quanh l, d : chiều dài, đường kính ống nối từ bể chứa đến thiết bị ngưng tụ, m λ : hệ số ma sát Xác định λ Chọn đường kính d = dhút = dđẩy = dnl =100 mm Vận tốc chảy ống 4.Q * 7.89* 10−3 = = 1.005m/s π d π * 0.12 v.d.ρ 1.005* 0.1* 996.9 = = 11231889 Chuẩn số Re = μ 0.892* 10−3 v= ρ : khối luợng riêng nước 25oC, kg/m3 μ : độ nhớt động lực nước 25oC, μ =0.892*10-3 Chọn độ nhám ống thép ε = 0.2 mm Với 8 ⎛ d⎞7 ⎛ 100⎞ Regh = 6.⎜ ⎟ = * ⎜ ⎟ = 728934 ⎝ 0.2 ⎠ ⎝ε ⎠ 9 ⎛ d⎞8 ⎛ 100⎞ Ren = 220.⎜ ⎟ = 220* ⎜ ⎟ = 2392011 ⎝ε ⎠ ⎝ 0.2 ⎠ Vậy Regh < Re < Ren nên 0.25 ε 100⎤ 0.2 100 ⎤ ⎡ ⎡ + = 0.1⎢1.46 * + ⎥ d Re ⎦ 100 11231889⎥ ⎦ ⎣ ⎣ Chiều dài đường ống từ bể lên cửa nhập liệu l = 15 m ⇒ Tổng tổn thất áp suất λ = 0.1⎢1.46 * h1−2 = 0.25 = 0.025 1.0052 ⎛ 15 ⎞ * ⎜ 0.025* + 4.88⎟ = 0.44 m * 9.81 ⎝ 0.1 ⎠ Chọn α = α = ⇒ Cột áp bơm H = (Z2 – Z1) + SVTH : p2 − p1 γ + v2 1.0052 + h1−2 = 12 − + (3.5 − 10) + + 0.44 = m 2g * 9.81 trang 45 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải ♦ Công suất bơm N= 7.89 * 10−3 * * 996.9 * 9.81 = 0.39 kW 1000* 0.8 ♦ Chọn bơm theo bảng 1.7 trang 35 Tài liệu [4] Hiệu bơm : X45/21 Lưu lượng Q = 12.5*10-3 m3/s Cột áp H = 13.5 m Số vòng n = 48.3 v/ph Động điện : Loại A02-51-2 Cơng suất N = 10 kW Hiệu suất η đ = 0.88 SVTH : trang 46 Đồ án môn học Máy Thiết bị CHƯƠNG IV TÍNH GVHD : TSKH Lê Xuân Hải GIÁ THÀNH THIẾT BỊ - Khối lượng thép làm thiết bị không kể ống truyền nhiệt : 2118 kg Giá thép X18H10T : 50000 đ/kg $thiết bị = 50000*2118 = 105900000 đ - Ống truyền nhiệt Ống có d < 50 mm giá 50000 đ/m Ống có d >50 mm giá 100000 đ/m $ống = 175*1.5*50000 + 100000*1.5 = 13275000 đ - Bulong Giá bulong 3000 đ/cái $bulong = (28*2 +40 + 8*6)*3000 = 432000 đ - Đệm Giá 250000 đ $đệm = 3*250000 = 750000 đ - Tai đỡ Vật liệu CT3, giá 10000 đ/kg Khối lượng tai 3.48 kg $tai treo = 3.48*4*10000 = 139000 đ - Cửa quan sát : 300000 đ/cái Vậy tổng giá thành thiết bị $thiết bị = (105.9 + 13.275 +0.432 + 0.75 + 0.139 +0 3)*106 = 120796000 đ - Nhiệt kế giá: 150000 đ/cái $nhiệt kế = 150000*2 = 300000 đ - Ap kế giá: 600000 đ/cái $áp kế = 60000*3 = 1800000 đ - Bơm chân không 1500000 đ/cái - Bơm nhập liệu Công suất N = 0.23 kW = 0.3 Hp Chọn bơm 0.5 Hp Giá bơm 700000 đ/Hp $bơm nhập liệu = 700000*0.5 = 350000 đ - Bơm vào thiết bị ngưng tụ (bơm nước) N = 0.39 kW = 0.52 Hp Chọn bơm Hp $bơm nước = 700000*1= 700000 đ - Thiết bị ngưng tụ baromet bình tách lỏng giá: 15000000 đ Vậy tổng giá thành thiết bị ( chưa kể tiền gia công lắp đặt) $ = (120796 + 0.3 + 1.8 +1.5 +0.35 +0.7 +15)*106 = 140446000 đ Nếu tình giá gia cơng 100% giá vật tư tổng giá thành thiết bị $tổng = 2*140446000 = 280892000 đ SVTH : trang 47 GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đồ án môn học Máy Thiết bị KẾT LUẬN Hệ thống cô đặc thiết kế gồm nồi cô đặc thiết bị ngưng tụ baromet đơn giản, không phức tạp, không cần thiết bị gia nhiệt ban đầu bồn cao vị để ổn định lưu lượng Thời gian cô đặc tương đối ngắn (1.25 giờ), hệ số truyền nhiệt đạt q trình đặc cao Thiết bị tương đối nhỏ gọn, giá thành khơng q cao chấp nhận SVTH : trang 48 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Tuy nhiên ta khó điều khiển q trình đặc thời gian đặc thay đổi khơng ổn định, nơng độ đạt khơng cao Q trình đặc q trình cần thiết cơng nghệ hóa chất thực phẩm nên cần nghiên cứu phát triển để có hiệu đặc cao, chi phí thấp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Các tác giả, Sổ tay Quá trình thiết bị Cơng nghệ hố chất, Tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1992 [2] Các tác giả, Sổ tay Q trình thiết bị Cơng nghệ hoá chất, Tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1992 [3] Phạm Văn Bơn (chủ biên) – Nguyễn Đình Thọ, Giáo trình QT & TB CNHH tập : Quá trình thiết bị truyền nhiệt, NXB ĐH Quốc gia TP HCM, 2002 [4] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, QT & TB CNHH tập 10 : Ví dụ Bài tập, Trường ĐH Bách Khoa TP HCM [5] Phạm Văn Bôn, QT & TB CNHH tập 11 : Hướng dẫn đồ án môn học, Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, 1993 SVTH : trang 49 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải [6] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, QT & TB CNHH tập 1, : Phân riêng khí động, lực ly tâm, Bơm, quạt, máy nén, Tính hệ thống đường ống, NXB ĐH Quốc gia TP HCM, 1997 [7] Hồ Lê Viên, Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hóa chất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1978 [8] Hồng Đình Tín, Truyền nhiệt & Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, 1996 [9] Nguyễn Văn Lụa, QT & TB CNHH tập 1, 1: Khuấy – Lắng – Lọc, NXB ĐH Quốc gia TP HCM, 2002 SVTH : trang 50 ... tuần hồn thiết bị c Thiết bị ngưng tụ SVTH : trang Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Thiết bị ngưng tụ sử dụng quy trình cơng nghệ loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp (thiết bị ngưng... 17 18 19 Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đồ án môn học Máy Thiết bị GVHD : TSKH Lê Xuân Hải CHƯƠNG II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH A CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I CÂN BẰNG VẬT... tổng giá thành thiết bị $tổng = 2*140446000 = 280892000 đ SVTH : trang 47 GVHD : TSKH Lê Xuân Hải Đồ án môn học Máy Thiết bị KẾT LUẬN Hệ thống cô đặc thiết kế gồm nồi cô đặc thiết bị ngưng tụ baromet