Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Khoa Kỹ thuật Hóa học
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC LIÊN TỤC DUNG DỊCH
NƯỚC ÉP DƯA HẤU

Th ầy (Cô) HD: Lê Th ị Kim Ph ụng
SVTH: Tr ần Ph ước Châu
MSSV: 1410352 L ớp: HC14CHC
Ngành: Kỹ thu ật hóa h ữu c ơ

Năm học: 2017-2018

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
1


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

2

Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

MỤC LỤC

3


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1.1.1 Tổng quan về cô đặc

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng n ồng độ m ột c ấu tử

nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử.
Quá trình cô đặc dung dịch lỏng - lỏng hay lỏng - r ắn có chênh l ệch nhi ệt
độ sôi cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi. Tùy
theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi), ta có th ể tách m ột
phần dung môi (cáu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay làm lạnh
kết tinh.
Trong phương pháp nhiệt, quá trình cô đặc thường được ti ến hành ở tr ạng
thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung d ịch
bằng áp suất làm việc của thiết bị. Cô đặc có th ể tiến hành ở các áp suất khác
nhau, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quy ển) ta dùng thi ết b ị h ở, còn
khi làm việc ở áp suất khác thì ta dùng thiết bị kín.

Quá trình cô đặc có thể làm việc gián đoạn hay liên tục, có th ể ti ến hành ở
hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi.
Thiết bị cô đặc được phân loại theo các cách sau:
 Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng...
 Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi n ước bão hoà, h ơi quá
nhiệt), bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, n ước ở áp
suất cao…), bằng dòng điện …
Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức...
Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm…
Cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hóa học và thực ph ẩm v ới



mục đích:





Làm tăng nồng độ chất hoà tan trong dung dịch (làm đậm đặc)
Tách các chất hoà tan ở dạng rắn (kết tinh)
Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)
Lấy nhiệt từ môi trường lạnh khi thay đổi trạng thái của tác nhân
làm lạnh.

1.1.2

Nhiệm vụ đồ án
Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị được sử dụng trong công nghiệp s ản


xuất hoá chất và thực phẩm với những mục đích khác nhau. Nhưng do th ời gian
4


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

nghiên cứu có hạn nên nhiệm vụ của đồ án này chỉ nghiên cứu v ề thi ết bị cô đ ặc
dạng màng và ứng dụng nó để cô đặc nước dưa hấu trong công nghệ s ản xuất
nước dưa hấu.
1.2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
1.2.1 Giới thiệu về cây dưa hấu
Dưa hấu có tên khoa học là Citrullus lanatus, là một loài thực vật trong họ
Bầu bí có nguồn gốc từ miền nam châu Phi. Cây dưa hấu sinh trưởng tốt trên
vùng đất cát ven biển và đất phù sa sông. Đồng bằng sông Cửu Long và duyên h ải
miền Trung là những khu vực trồng dưa hấu lớn nhất nước ta.
Quả dưa hấu là một loại trái cây có giá trịnh dinh dưỡng cao, hàm l ượng
chất béo và natri thấp, đồng thời là nguồn cung cấp năng l ượng, vitamin và các
khoáng chất cho cơ thể. Dưa hấu có chứa citrulline - một acid amin có tác d ụng
điều hòa huyết áp, đồng thời là nguồn cung cấp lycopene và ch ất ch ống oxi hóa
dồi dào.

Bảng 1. 1 Thành phần dinh dưỡng của dưa hấu
Thành phần
Nước
Carbohydrate: glucose, fructose, sucrose,…
Protein
Chất xơ
Lipid

Vitamin (A,C, B1, B3, B5, B6, B9…)
Chất khoáng (K, Mg, Ca, P, Mg, Zn,…)

Hàm lượng (%)
91-92
7-8
0,6
0,4
0,15

1.2.2 Giới thiệu về nước dưa hấu và đặc tính cô đặc
Nước dưa hấu chứa hàm lượng đường khoảng 5-8 %. Không giống như siro
dưa hấu, sản phẩm nước dưa hấu được dùng uống ngay mà không cần pha loãng
với nước. Sản phẩm phải có hương vị và màu sắc của nguyên liệu ban đầu. Nước
dưa hấu là một sản phẩm giàu vitamin nên không chịu được nhi ệt đ ộ cao, các
thành phần quý giá trong dịch quả dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của nhiệt.

PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Dung dịch nước dưa hấu có nồng độ đầu 5% ở 250C từ bồn chứa nguyên
liệu được bơm định lượng bơm qua lưu lượng kế đến thiết bị gia nhiệt, l ưu
lượng luôn đảm bảo là 1,226 m3/h.

5


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

Tại thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đun nóng đến 70 0C bằng hơi nước

bão hòa ở 2 at (119,60C) được lấy từ lò hơi. Thiết bị gia nhiệt được thiết kế theo
kiểu ống chùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống hơi đốt đi ngoài ống, đường
kính của thiết bị gia nhiệt là 0, 8m, chiều dài ống truyền nhiệt 2m, đường kính
ống 38mm.
Sau đó dung dịch tiếp tục chảy vào nồi cô đặc. Tại đây dung d ịch được cô
đặc đến nồng độ 25% nhờ hơi đốt là hơi bão hòa ở 119,6 0C được cấp từ lò hơi
như thiết bị gia nhiệt (lượng hơi đốt cần sử dụng là 1147,64 kg/h). Đây là thi ết
bị cô đặc loại màng chảy ngược, đường kính buồng đốt 0,8m, chiều dài ống ống
truyền nhiệt là 5m, đường kính ống 38mm, đường kính buồng bốc 1,2m, chi ều
cao buồng bốc là 2,5m. Nhiệt độ sôi của dung dịch trong n ồi cô đ ặc là 70,124 0C,
áp suất của hơi thứ là 0,314 at. Dung dịch sau khi được cô đặc đến n ồng đ ộ 25%
được bơm khỏi nồi cô đặc vào bồn chứa sản ph ẩm. Ở đáy buồng bốc nồi cô đ ặc
có lắp một đầu dò để kiểm tra nồng độ của dung dịch sau khi cô đ ặc. N ếu dung
dịch chưa đạt đến nồng độ cần thiết thì sẽ được bơm tr ở lại nồi cô đặc để cô
đặc tiếp.
Lượng hơi thứ trong nồi được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet với
đường kính thiết bị là 05 m, chiều cao 3,2m, số ngăn là 8, áp suất trong thi ết b ị
ngưng tụ là 0,3 at. Phần hơi không ngưng được đưa qua thi ết bị tách l ỏng r ồi
được hút ra ngoài bằng bơm chân không. Nước cung cấp cho thi ết b ị ng ưng tụ
Baromet được bơm trực tiếp từ bể nước sạch, nhiệt độ của nước là 25 0C.
Phần khí không ngưng của thiết bị gia nhiệt, nồi cô đặc được thải bỏ. Còn
nước ngưng thì được dẫn qua các bẫy hơi đến bể chứa nước để đưa về lò h ơi.

6


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu


PHẦN 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Yêu cầu:
Thiết kế thiết bị cô đặc lọai màng để cô dung dịch nước dưa hấu.
Năng suất sản phẩm : 250 kg/h.
Nồng độ nhập liệu : 5% (khối lượng).
Nồng độ sản phẩm : 25% (khối lượng).
Áp suất ngưng tụ : Pck = 0,7 at.
3.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Suất lượng nhập liệu:
Gd = G c

Xc
0, 25
= 250.
= 1250
Xd
0, 05

(kg/h)

Suất lượng hơi thứ:
W = Gd - Gc = 1250 – 250 = 1000 (kg/h)
Suất lượng sản phẩm:
Gc = 250 (kg/h)
Trong đó:
Xd: Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng) => Xd = 0,05
Xc: Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng) => Xc = 0,25
Bảng 3. 1 Cân bằng vật chất của hệ
Đại lượng
Suất lượng dung dịch (kg/h)

Nồng độ dung dịch (% khối lượng)

Vào
Ra
Vào
Ra

Lượng hơi thứ (kg/h)

Giá trị
Gd = 1250
Gc = 250
Xd = 5
Xc = 25
W = 1000

3.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
3.2.1 Các thông số cần xác định
Nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị ngưng tụ Baromet : t c = 68,70C (tra ở áp suất
của hơi nước là 0,3 at [a].
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng bốc : t w = tc + ∆’’’ = 68,7 + 1 = 69,70C (Nhiệt độ hơi
thứ trong buồng bốc bằng nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị Baromet cộng v ới 1 0C
- 10C chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên ống dẫn).
Nhiệt độ hơi đốt: tD = 119,60C (Tra ở 2 at) [b].
Bảng 3. 2 Áp suất, nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ
Thông số
Áp suất (at)

Nồi cô đặc
Hơi đốt

2

Hơi thứ
0,314
7

Baromet
0,3


Đồ án Quá trình và thiết bị
Nhiệt độ (0C)

Trần Phước Châu
119,6

69,7

68,7

3.2.2 Xác định tổn thất nhiệt độ
3.2.2.1 Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Sử dụng phương pháp Tysenco để xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ :
∆’ = f.∆0 [1]
Với:
∆’: độ tăng nhiệt độ sôi tại áp suất cô đặc (0C)
∆0: độ tăng nhiệt độ sôi tại áp suất thường (0C)
f: hệ số hiệu chỉnh và được tính theo công thức sau

Với:


f = 16,14

T 2m
r
[2]

Tm: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (K)
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi (J/kg)
Thay: Tm = tw = 69,70C = 342,7K
r = 2333,732 (J/kg) [a]
Suy ra: f = 0,812.
Tra:
∆0 = 0,526860C [c]
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ là :
∆’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) = f.∆0 = 0,4280C
3.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
Trong thiết bị cô đặc loại màng, quá trình bốc hơi ti ến hành trong l ớp dung
dịch rất mỏng nên ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh thực tế không đáng kể.
Vậy: ∆’’ = 00C
3.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực trên đường ống
Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi cô
đặc đến thiết bị ngưng tụ từ 0,5 - 1,50C.
Chọn ∆’’’ = 10C.
Tổn thất nhiệt độ tổng cho toàn hệ thống:
Σ∆ = ∆’+ ∆” + ∆”’ = 0,428 + 0 + 1 = 1,4280C [3]
3.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích
∆thi = ∆t - Σ∆ = tD – tc - Σ∆ = 119,6 – 68,7 – 1,428 = 49,4720C [4]
3.2.4 Cân bằng nhiệt lượng
3.2.4.1 Phương trình cân bằng nhiệt lượng


8


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

Trong đó:
D: suất lượng hơi đốt cần dùng (kg/h)
φ: độ ẩm của hơi đốt. Chọn φ = 0,05
iD, iw: hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ (J/kg)
t1, t2: nhiệt độ vào và ra khỏi nồi của dung dịch (0C)
Cd, Cc: nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi của dung dịch (J/kg.độ)
θ: nhiệt độ nước ngưng tụ (0C) – lấy bằng nhiệt độ hơi đốt: θ =
119,6 0C
Cng : nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Qtt : nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (J). Chọn Qtt = 0,03QD
Gd: suất lượng dung dịch ban đầu (kg/h)
Qcđ: nhiệt cô đặc (J/kg). Qcđ = 0.
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
(1-ϕ).D.iD + ϕ.D.Cng.tD + Gd.Cd.t1 = W.iw + GcCc.t2 + D.Cng. θ + Qtt ± Qc [5]
3.2.4.2 Tra và tính toán các thông số liên quan
Bảng 3. 3 Các thông số tính toán suất lượng hơi đốt
Hàm nhiệt
(kJ/kg)
Nhiệt độ
dung dịch
(0C)
Nhiệt dung

riêng
(J/kg.độ)

Thông số
Hơi đốt (iD)
Nhập liệu (t1)

Giá trị
2710
2621,6
8
70

Chọn t1 = 700C

Sản phẩm (t2)

70,128

t2 = tsdd(Po) = tw+∆’

Hơi thứ (iW)

Dung dịch nhập liệu
(Cd)
Dung dịch sản phẩm
(Cc)
Nước ngưng (Cng)

4090,7

3693,7
3693,7

3.2.4.3 Tính toán suất lượng hơi đốt cần thiết:
D=

Ghi chú
[d]

C = 4190 - (2514 –
7,542.t).X [6]
[e]

G cC c t 2 − G d C d t 1 + W i w 250.3693, 7.70,128 − 1250.4090,7.70 + 1000.2621.68.1000
=
(1 − ε ).(1 − φ )(θ)
− 0,05).(2710000
−
4249,3−
2.119, 6)
i D − C ng (1 0, 03).(1

= 1147,64 (kg/h).
9


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu


10


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
4.1 TÍNH TOÁN HỆ SỐ CẤP NHIỆT, HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT VÀ DIỆN TÍCH BỀ
MẶT TRUYỀN NHIỆT
4.1.1 Tính toán hệ số cấp nhiệt
4.1.1.1 Tính toán nhiệt tải riêng trung bình
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉ X18H10T có h ệ s ố d ẫn
nhiệt λ = 16,3 W/m.độ [f]. Chọn bề dày thành ống là: δ = 2 mm.
Giả thiết quá trình là liên tục và ổn định.
Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:
q1 = α1.(tD – tw1) = α1.∆t1
Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:
1
( t w1 − t w 2)
δ
r
+ +r
cau1 λ cau 2

1
∑r

q=
.(tw1 – tw2) =

Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi:
q2 = α2.(tw2 – tdd) = α2. ∆t2
Trong đó:
tD: nhiệt độ hơi đốt (0C)
tdd: nhiệt độ của dung dịch trong nồi (0C)
tw1, tw2: nhiệt độ 2 bên thành ống (0C)
α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (W/m2.độ)
α2: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch (W/m2.độ)
rcau1: nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt [g] => rcau1 = 0,345.10-3
(m2.độ/W)

rcau2: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch

[g]

=> rcau2 = 0,387.10-3

(m2.độ/W)
δ
λ

: Nhiệt trở thành thiết bị (m2.độ/W)
δ
(rcau1 + +rcau2 )
λ

∑r =
= 8,545.10-4 (m2.độ/W).
4.1.1.2 Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α1
Khi tốc độ của hơi nhỏ (ω


≤

10 m/s , chính xác hơn khi ρω2

≤

30) và màng

nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống
thẳng đứng được tính theo công thức sau:
4

Trong đó:

α1 = 2,04.A.

r
Δt1.H

11

(W/m2.độ)

[7]


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

(

ρ 2 .λ 3 0,25
)
μ

[h]
A=
Đối với nước giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng.

Công thức tính nhiệt độ màng tm:
tm = 0,5.(tw1 + tD)
∆t1: hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị ( 0C)
∆t1 = tD – tw1
r: ẩn nhiệt ngưng tụ tính theo hơi bão hòa (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt (m). Chọn chiều cao ống truy ền
nhiệt H = 5 m.
Xem như sự mất mát nhiệt không đáng kể: q = q1 = q2
∑r

Suy ra:
tw2 = tw1 – q1.
4.1.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α2
Màng chảy ở chế độ màng:
Nue = 0,01.Re1/3.Pr1/3 =

α 2 .θ e
λl

[8]


Trong đó:
Nu, Re, Pr: các chuẩn số Nusselt, Reynolds và Prandtl.
α2: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi (W/m2.độ).
θe: bề dày màng (m).
λl: hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ).
Bảng 4. 1 Các thông số trong tính toán α2
Thông số

Tính toán

t1 + t 2 70 + 70,128
=
= 70, 064
2
2

Nhiệt độ trung bình dung dịch trong
ống

t dd =

Khối lượng riêng dung dịch ở nồng
độ trung bình (15%)
Độ nhớt dung dịch ở nồng độ trung
bình (15%)

ρdd = 1061,04 (kg/m )

Nhiệt dung riêng trung bình của

dung dịch

3

C

[i]

µdd = 0,4539.10-3 (Ns/m2) [j] (tra ở nhiệt
độ dung dịch là 70,0640C )
Cdd = 4190 – (2514 – 7,542.tdd).Xtb
= 4190 – (2514 – 7,542.70,064).0,15
= 3892,2 (J/kg.độ)
1/3

Bề dày màng

0

 μ2 
 (0, 4539.10−3 ) 2 
−5
θe =  2 ÷ = 
 = 2, 65.10 (m)
2
 1061, 04 .9,81 
 ρ .g 
[8]

12



Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu
x tb
1 − x tb 0,15 1 − 0,15
1
=
+
=
+
M dd M saccaroz M H2O 342
18

Khối lượng mol dung dịch

⇒ Mdd = 20,98 (g/mol)
3

λl = 3,58 .10-8.Cdd.ρdd.

Hệ số dẫn nhiệt

ρ dd
M dd

[9]

3


= 3,58.10-8. 3892,2. 1061,04.
= 0,547 (W/m.độ)

1061, 04
21

Chọn ống truyền nhiệt :
 dtr = 0,034 m
 δ = 2 mm
 Số ống truyền nhiệt : n = 61 ống (chọn sơ bộ)
Chu vi ướt : Π = 3,14.dtr.n = 3,14.0,034.61 = 6,52 (m)
Khối lượng chất lỏng chảy theo bề mặt thẳng đứng theo một đơn vị chi ều dài
ống trong một đơn vị thời gian :
U=

G
1250
=
= 0, 053
II 3600.6,52

(kg/m.s)
với G : Khối lượng chất lỏng chảy theo bề mặt thẳng đứng trong 1 đ ơn v ị
thời gian (kg/s)
Chuẩn số Prandl được xác định theo công thức :

Pr =

C.μ

λl

= 3,231 [10]

Chuẩn số Renolds xác định theo công thức :

Re =

4U
4.0, 053
=
= 469,8427
μ
0, 4539.10−3

[11]

Chuẩn số Nusselt:
Nue = 0,01.469,8431/3.3,2311/3 = 0,11493
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α2:
α2 =

Nue.λ l
=
θe

2369,263 (W/m2.độ)

[12]


13


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

Tính lặp xác định các thông số:




Bước 1: Tự chọn nhiệt độ vách ngoài tw1.
Bước 2: Xác định α1, q1, q2.
Bước 3: Kiểm tra điều kiện
q1 - q 2
q1

.100%

∆q =

Nếu ∆q < 5% thì thỏa.
Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn được các thông số thảo mãn.
Bảng 4. 2 Bộ thông số hệ số cấp nhiệt và nhiệt tải riêng
Thông số

Giá trị

tD (0C)

tdd (0C)
r (J/kg)
H (m)
∆t1 (0C)
tw1 (0C)
tm (0C)
A
α1 (W/m2.độ)
q1 (W/m2)
tw2 (0C)
∆t2 (0C)
μdd (N.s/m2)
Cdd (J/kg.độ)
ρdd (kg/m3)
dtr (m)
n (ống)
Gd (kg/s)
Re
Mdd (kg)
g (m/s2)
λl (W/m.độ)
θe (m)
Pr
α2 (W/m2.độ)
q2 (W/m2)
∆q (%)
qtb(W/m2)

119,6
70,064

2208.103
5
5,4
114,2
116,9
186,605
6437,426
34762,102
84,5
14,43
0,4539.10-3
3892,163
1061,04
0,034
61
0,347
469,84
20,98
9,81
0,547
2,65.10-5
3,231
2369,263
34190,55
1,64
34476,33
14

4.1.2 Tính toán
hệ số truyền

nhiệt tổng quát

K=

q tb
Δt hi

=

34476,33
49, 472

= 696,9
(W/m2.độ)
4.1.3 Tính toán
diện tích bề
mặt truyền
nhiệt


Đồ án Quá trình và thiết bị
F=

Trần Phước Châu

QD
D.rD 1147, 64.2208000
=
=
= 20, 42

K.Δt hi K.Δt hi
696,9.49, 472

(m2)

Chọn bề mặt truyền nhiệt chuẩn là: F = 25 m2 [k].
4.2 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT VÀ BUỒNG BỐC
4.2.1 Tính kích thước buồng đốt
4.2.1.1 Số ống truyền nhiệt
n=

F
π.d.l

Trong đó:
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2), F = 25 m2
d: đường kính ống truyền nhiệt (m), d = 0,034 m
(Do α1> α2 nên d là đường kính trong của ống truyền nhiệt )
l: chiều dài ống truyền nhiệt (m), l = 5 m
n=

Vậy:

25
3,14.0, 034.5

= 47 (ống)

Chọn loại ống chùm và bố trí ống theo hình 6 cạnh đều nên s ố ống truy ền
nhiệt chuẩn là: n = 61 ống. [m]

=> Thỏa điều kiện số ống ban đầu đã chọn.
4.2.1.2 Tính kích thước buồng đốt
Đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức sau:
Dt = t.(b – 1) + 4.d

(m)

[13]

Trong đó:
d: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m)
d = 0,034 + 2.0,002 = 0,038 m
t: bước ống (m)
Chọn t = 1.5d =1.5.0,038 = 0,057 m.

[n]

b: Số ống trên đường chéo của hình lục giác đều, b được tính theo
công thức sau:
b = 2.a – 1
Mặt khác: n = 3.a.(a – 1) +1 => a = 5 => b = 9
15

[14]


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu


Vậy: Dt = 0,057.(9 – 1) + 4.0,038 = 0,608 (m)
Chọn Dt chuẩn cho buồng đốt là 0,8m.[o]
4.2.2 Tính kích thước buồng bốc
4.2.2.1 Tính chiều cao không gian hơi
Công thức tính chiều cao không gian hơi:
Hh =

4Vb
π Db 2

(m)

Trong đó:
Vb: thể tích buồng bốc (m3)
Db: đường kính buồng bốc (m), Db = 1,2m (chọn sơ bộ)
Công thức tính thể tích buồng bốc:

Vb =

W
ρ h .U p

(m3)

[15]

Trong đó:
W: suất lượng hơi thứ (kg/h)
ρh: khối lượng riêng hơi (kg/m3)
Up: cường độ bốc hơi (m3/m3h)

Với

[16]

Up = fp.Ut

Ut: cường độ bốc hơi ở áp suất 1 at (m3/m3.h)
fp: hệ số hiệu chỉnh
Bảng 4. 3 Các thông số trong tính toán buồng bốc
W
(kg/h)
1000

ρh
(kg/m3
)
0,1957

fp
1,4

Ut
(m /m3.
h)
1650

Up
(m3/m3.
h)
2310


3

Db (m)

Vh (m3)

Hh (m)

1,2

2,212

1,957

Chọn chiều cao không gian hơi Hh = 2m.
4.2.2.2 Tinh vận tốc hơi, vận tốc lắng và kiểm tra điều kiện
 Vận tốc lắng (ω0) được tính như sau:

ω0 =

4.g.(ρ l -ρ h ).d
3.ξ.ρ h

(m/s)
16

[17]



Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

Với:
ρl, ρh: khối lượng riêng của giọt lỏng và của hơi thứ (kg/m3)
d: đường kính giọt lỏng => Chọn d = 0,0003 m
ξ: hệ số trở lực phụ thuộc vào Re
18,5

0,2 < Re < 500 : ξ =

Re0,6

500 < Re < 150000 : ξ = 0,44
với :

Re =

ωh .d
νh

=

ωh .d.ρ h
μh

Trong đó:
µh: Độ nhớt của hơi thứ (N.s/m2) [p]



Vận tốc hơi được tính như sau:
.

ωh =

Vh
Fb

(m/s)

Suất lượng thể tích hơi thứ:

Vh =

W
265, 26
=
= 0,37
ρ h 3600.0,1979

(m3/s)

Thiết diện buồng bốc:

Fb =

π.D 2b π.1, 2 2
=
4

4

= 1,13 (m2)

Bảng 4. 4 Vận tốc lắng và vận tốc hơi
ρl
(kg/m
3
)

ρh
(kg/m
3
)

978,15

0,1957

μh
(Ns/m
2
)
1,2.105

Re

ξ

Vh

(m3/s)

Fb
(m2)

ωh
(m/s)

ω0
(m/s)

31,4

2,34

1,42

1,1304

1,26

2,895

Kiểm tra điều kiện:

17


Đồ án Quá trình và thiết bị


Trần Phước Châu
ωh
.100 = 43,37%
ω0

Thỏa mãn điều kiện vận tốc hơi ωh không quá 70-80% vận tốc lắng ω0.
Vậy: kích thước nồi cô đặc:


Buồng đốt:
H=5m
Dt = 0,8 m
n = 61 ống với dn = 0,038 m.



Buồng bốc:
Hh = 2 m
Db = 1,2 m.

18


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

PHẦN 5: TÍNH CƠ KHÍ
5.1 THÂN THIẾT BỊ
5.1.1 Thân buồng đốt

Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3.
Thông số làm việc:
Dt = 800 mm
ptt = 0,1 N/mm2
ttt = 119,6 + 20 = 139,60C ( thiết bị có bọc cách nhiệt)
Vì buồng đốt làm việc với áp suất dư p tt = 0,1 N/mm2 (1 at) nên buồng đốt
chịu áp suất trong.
Các thông số cần tra :




ϕh = 0,95. [q]
[σ]* = 132 N/mm2. [r]

η= 0,95 [s](có bọc cách nhiệt).

Ta có :
[σ] = [σ]*.η = 132.0,95 = 125,4 N/mm2

[ σ ] .φ
p

h

=

125, 4
.0,95 = 1191,3
0,1


> 25

Do đó bề dày buồng đốt tính theo công thức :
S' =

D t .p
800.0,1
=
= 0,3358
2.σ[ .φ
] h 2.125, 4.0,95

(mm)

[18]

Hệ số bổ sung bề dày :
C = Ca + Cb + Cc = 1,0 + 0 + 0,5 = 1,5 (mm)

[19]

Bề dày thực của buồng đốt là :
S = S’ + C = 0,3358 + 1,5 = 1,8358 (mm) → Chọn S = Smin = 3 mm. [t]
Kiểm tra áp suất tính toán bên trong thiết bị :
S-Ca 3 − 0,5
=
=
Dt
800


3,125.10-3 < 0,1

19


Đồ án Quá trình và thiết bị
[p]=

Trần Phước Châu

2.[σ].φh.(S-C a ) 2.125, 4.0,95.(3 − 0)
=
= 0,89
D t +(S-Ca )
800 + (3 − 0)

(N/mm2) > 0,1 N/mm2

[20]

Vậy chọn bề dày buồng đốt là : S = 3 mm. [u]
5.1.2 Thân buồng bốc
5.1.2.1 Tính bề dày buồng bốc
Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng bốc là thép không r ỉ
X18H10T.
Thể tích phần trụ buồng bốc :
VTBB = Vh + 0,25.Vh = 2,212 + 0,25.2,212 = 2,765 (m3)
Chiều cao phần trụ buồng bốc :


HTBB =

4.VTBB 4.2, 765
=
= 2, 446
π.D 2BB
π.1, 2 2

(m)

 Chọn HTBB = 2,5 (m)

Thông số làm việc:
Db = 1200 mm
ptt = pa = 1 (at) = 0,1 (N/mm2) (áp suất chân không)
ttt = 70,128 + 20 = 90,1280C
Áp suất bên trong thiết bị là áp suất chân không nên thân ch ịu áp su ất
ngoài.
Các thông số cần tra:
[σ]* = 143 (N/mm2) [v]
η= 0,95 [s](thiết bị có bọc cách nhiệt).
 ϕh = 0,95.[q]
 nc = 1,5. [w]
 Et = 2,05.105 N/mm2. [x]



Ứng suất cho phép: [σ] = [σ]*.η = 143.0,95 = 135,85 (N/mm2)
Ứng suất chảy cho phép: [σ]c = [σ]*.nc = 143.1,5 = 214,5 (N/mm2)
Bề dày tối thiểu của thân buồng bốc:


20


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

0,4

S’ =

0,4

p L 
 0,1.2600 
1,18.D b .  nt .
÷ = 1,18.1200. 
÷ = 5, 76
5
 2, 05.10 .1200 
 E Db 

(mm)

[21]

Trong đó:
Db : Đường kính thân buồng bốc (mm) => Db = 1200 mm
pn: Áp suất ngoài tính toán (N/mm2) => pn = 0,1 N/mm2

L: Chiều dài tính toán của thân (mm)

L = HTBB +

Hnap
3

= 2500 + 100 = 2600 (mm)

Suy ra: S’ = 5,76 mm.
Chiều dày thực của thân buồng bốc:
S = S’ + C (mm)
Với C : Hệ số bổ sung bề dày tính toán (mm)
C = Ca + Cb +Cc
Trong đó:
Ca: Hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường (mm)
=> Chọn Ca = 1 mm
Cb: Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường (mm)
=> Chọn Cb = 0
Cc: Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp (mm)
=> Chọn Cc = 0,5 mm
Suy ra:
Vậy:

C = 1,5 mm
S = 5,76+1,5 = 7,26 mm

⇒ Chọn bề dày chuẩn là : S = 8 (mm) [u]
5.1.2.2 Kiểm tra điều kiện chịu áp suất ngoài
Điều kiện 1:

1,5.

2(S− Ca )
Db
L
≤
≤
Db
Db
2.(S− Ca )

21

[22]


Đồ án Quá trình và thiết bị
1,5.

⇔

Trần Phước Châu
2.(8 − 1) 2500
1200
≤
≤
1200
1200
2.(8 − 1)


0,162 ≤ 2, 083 ≤ 9, 258

⇔

(thỏa).

Điều kiện 2:
3

L
E t  2.(S− Ca ) 
2500
2, 05.105  2.(8 − 1) 
≥ 0,3. t . 
⇔
≥
0,3.


Dσ
214,5
1200 

b
cD 
b 1200

2, 083 ≥ 0,361

⇔


3

[23]

(thỏa)

Trong đó:
σ ct

: Giới hạn chảy của vật liệu làm thân ở nhiệt độ tính toán

(N/mm2)
=>

σ ct

= 214,5 N/mm2

=> Thỏa cả 2 điều kiện
Tính áp suất ngoài tính toán cho phép:
2

D b  S− Ca 
[p n ] = 0, 649.E .

÷
L  Db 
t


2

S− Ca
1200  8 − 1 
= 0, 649.2, 05.10 5.

÷
Db
2500  1200 

8 −1
1200
[24]

= 0,166 (N/mm2) > pn = 0,1 N/mm2 (thỏa)
Vậy chiều dày thân buồng bốc: S = 8 mm.
5.1.2.3 Kiểm tra điều kiện chịu tác dụng đồng th ời c ủa l ực nén chi ều tr ục c ủa và
áp suất ngoài
Ta có :
Db
1200
=
= 86
2.(S− Ca ) 2(8 − 1)

⇒ kc = 0,084

[y]

Do đó :

σ ct
214,5
K c = 875. t .k c = 875.
.0, 084 = 0, 077
E
2, 05.105

22

(N/mm2) [25]


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

Lực nén chiều trục tác dụng lên thân :

Pnct =

π.(D b + 2.S) 2 .p n π.(1200 + 2.8) 2 .0,1
=
= 116133,37
4
4

(N)

Thân sẽ ổn định nếu thõa mãn:
S− Ca ≥


Pnct
116133,37
⇔ 8 −1 ≥
⇔ 7 ≥ 1,53
t
π.K c .E
π.0, 077.2, 05.105

(thỏa)

[26]

Ứng suất cho phép khi nén trong thân:
[σ n ] = K c .E t .

S− Ca
8 −1
= 0, 077.2, 05.10 5.
= 91,5
Db + S
1200 + 8

(N/mm2)

[27]

Ứng suất nén trong thân dưới tác dụng của lực nén chiều trục (22):
σn =


Pnct
116133,37
=
= 4,37
π.(D b + S).(S− Ca ) π.(1200 + 8)(8 − 1)

(N/mm2)

[28]

Thân buồng bốc làm việc ổn định dưới tác dụng của áp suất ngoài và l ực
nén chiều trục khi thỏa điều kiện (23) :
σn
p
4,37
0,1
+ n <1⇔
+
< 1 ⇔ 0, 65 < 1
[σ n ] [p n ]
91,5 0,166

(thỏa)

Vậy thân làm việc ổn định dứơi tác dụng đồng thời của lực nén chi ều tr ục
và áp suất ngoài.
5.2 NẮP VÀ ĐÁY THIẾT BỊ
5.2.1 Nắp

Chọn nắp elip tiêu chuẩn làm bằng thép không rỉ X18H10T.

ptt = 0,1 N/mm2 (áp suất dư).
[σ]* = 143 (N/mm2).
23


Đồ án Quá trình và thiết bị

Trần Phước Châu

η = 0,95 (thiết bị có bọc cách nhiệt).
[σ] = [σ]*.η = 143.0,95 = 135,85 (N/mm2).
σ ct

= [σ]*.nc = 143.1,5 = 214,5 (N/mm2).

Với nc = 1,5. [w]
Áp suất bên trong thiết bị là áp suất chân không nên nắp chịu áp suất ngoài.
Chọn bề dày nắp bằng bề dày thân buồng bốc => S = 8 mm
Kiểm tra điều kiện ổn định của nắp theo công thức (24):
Ta có:
0,15.E t 0,15.2, 05.105
=
x .σ ct
0, 7.214,5

Rt

1200
=
= 150

S
8

= 204,8

R t 0,15.E t
<
S
x .σ ct


Trong đó :
Rt: bán kính cong bên trong ở đỉnh nắp (mm) , đối v ới nắp elip tiêu
chuẩn thì Rt = Dt = 1200mm. [z]
Et: mođun đàn hồi của vật liệu thân ở nhiệt độ làm việc (N/mm2)
Et = 2,05.105 N/mm2
σ ct

: giới hạn chảy của vật liệu làm thân ở nhiệt độ tính toán

(N/mm2)
σ ty

x=

σ ct

: tỷ số giới hạn đàn hồi của vật liệu làm nắp với gi ới hạn

chảy của nó ở nhiệt độ tính toán . Đối với thép không rỉ x = 0,7.

Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị (24):
[p n ] =

2.[σ n ].(S− C a ) 2.135,85.(8 − 1)
=
β.R t
2,546.1200

24

= 0,62 (N/mm2) [29]

[aa]


Đồ án Quá trình và thiết bị
β=

Với:

Trần Phước Châu

E t .(S− Ca ) + 5.x.σ ct .R t
E t .(S− Ca ) − 6, 7.x .σ ct .R t(1 − x)

= 2,546 [ab]

Ta có: [pn] = 0,62 N/mm2 > pn = 0,1 N/mm2 (thỏa)
Vậy bề dày nắp được chọn là: S = 8 mm.
Chiều cao nắp elip h = 300 mm.

Chiều cao gờ b = 25mm.
Thể tích nắp Vn = 0,255 m3. [ac]
5.2.2 Đáy

Để đảm bảo tháo liệu tốt ta chọn đáy nón có gờ làm bằng thép không r ỉ
Rt
0

X18H10T (ρ = 7850 kg/m3) có góc ở đỉnh α = 30 ,

Dt

= 0,15.

Áp suất bên trong thiết bị là áp suất chân không nên đáy chịu áp suất ngoài.
pn = 0,1 N/mm2
Chọn bề dày nắp bằng bề dày thân trụ chịu áp suất ngoài => S = 8 mm.
Lực tính toán P nén đáy:
P=

π 2
π
.D n .p n = .8162.0,1
4
4

= 52296,2 (N)

Trong đó:
Dn: đường kính ngoài của đáy nón (mm)

pn: áp suất làm việc (N/mm2)
Lực nén chiều trục cho phép của đáy nón (26) :
t
[Pnct ]π.K
= .Ec .(S
C− ).cos
α2
a

Trong đó:
25

[31]

[30]