Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

Tải bản đầy đủ - 0trang

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

4.2.



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sơi

Áp dụng cơng thức (VI.27), trang 71, [7]:

2

; W/(m .K)

(4.2)

Trong đó:

• αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sơi sủi

bọt nên αn được tính theo công thức (V.91), trang 26, [7]:

αn = 0,145.p0,5.Δt2,33

(4.3)

với p = po = 0,5236 at = 51347,62 N/m2

Sau khi tính lặp, tv2 = 112,36 0C

⇒ Δt = Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) = 112,36 – 103,85 = 9,36 0C

⇒ αn = 0,145.51347,620,5.9,362,33 = 6021,45 W/(m2.K)

• cdd = 3323,4 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)

• cdm = 4235,5 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb)

• = 0,001806 Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb)

• = 0,000323 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb)

• ρdd = 1274,03 kg/m3 - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)

• ρdm = 966,95 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb)

• λdd = 0,5904 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb)

• λdm = 0,679 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb)

cdm, , ρdd, λdd



tra bảng I.249, trang 311, [6

tra bảng 9, trang 16, [13]



ρdd



tra bảng 4, trang 11, [13]



λdd



được tính theo cơng thức (I.32), trang 123, [6]



Cơng thức I.32:

(4.4)

• A – hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết,

A = 3,58.10-8

• M – khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O.

M = a.MNaOH + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol

Trong đó a là phần mol của NaOH.

Xem nồng độ NaOH trong dung dịch là 30% (nồng độ đầu ra xc)

A = = = 0,161677

M = 0,161677.40 + (1 – 0,161677).18 = 21,55689 kg/kmol

Từ (4.4),

(W/(m.K))

32



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



= 3017,04 (W/m2.K)



4.3.



Nhiệt tải riêng phía dung dịch:

• q2 = . = 3017,04.9,36 = 28239,51 W/m2

Nhiệt tải riêng phía tường

Cơng thức tính: qv = (W/m2)

Trong đó:

• : tổng trở vách (m2.K/W)

= == 0,8545.10-3 m2.K/W

* r1 = 3,45.10-3



m2.K/W (tra bảng 31, trang 29, [8])



* r2 = 3,87.10-3



m2.K/W (tra bảng V.1, trang 4, [7])



(4.5)



* = 2mm = 0.002 m; bề dày ống truyền nhiệt

* = 16,3



m2.K/W (tra bảng XII.7, trang 313, [7])







4.4.



= tv1 – tv2; chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách

Với q trính cơ đặc liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv= q1

• = qv. = 29241,46.0,8545.10-3 = 25 oC

Tính nhiệt tải riêng trung bình

Dùng phương pháp số, ta lần lượt tính lặp qua các bước sau:

• Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng tv1, từ đó tính tm và Δt1 = tD – tv1.

• Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 từ đó tính q1

• Đặt qv = q1, từ đó tính Δtv.

• Tính tv2 = tv1 – Δtv, từ đó tính Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) và hệ số cấp nhiệt

phía dung dịch sơi α2.

• Tính q2

• Tính sai số tương đối của q2 so với q1. Vòng lặp kết thúc khi sai số này



4.5.



nhỏ hơn 5 %. Sai số tương đối của q2 so với q1:

.100% = . = -3,43%

Do < 5% nên các thông số đã chọn phù hợp.

Nhiệt tải riêng trung bình:

qtb = = = 28740,48 W/m2

Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cơ đặc

K được tính thơng qua các hệ số cấp nhiệt

33



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



K= = = 781,253 W/m2.K

4.6.



Diện tích bề mặt truyền nhiệt

F = = = 140,43 m2



B. TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

4.7. Tính kích thước buồng bốc (Db)

4.7.1. Đường kính buồng bốc





Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:

Vh = = = 6,47 m3/s



( Khối lượng riêng của hơi thứ tại po = 0.5236 là = 0.3160 kg/m3 –bảng I.251, trang

314,[6])





Tốc độ của hơi thứ trong buồng bốc:

=

• Cơng thức (5.14), trang 276, [2]:

= = = =

Trong đó:













ρ' = 970,6 kg/m3 – khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm(po) (tra bảng I.249, trang 311, [6])

ρh = ρ’’ = 0,3160 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc po = 0,5236 at

d – đường kính giọt lỏng; m. Chọn d = 0,0003 m (trang 292, [2]).

ξ – hệ số trở lực, tính theo Re:

Re = = =

(Với = 0,0122.10-3 Pa.s– độ nhớt động học của hơi thứ ở áp suất 0.5236 at



(tra hìnhVI, trang 57 [13])

• Nếu 0,2 < Re < 500 thì ξ = = 1,5253.

• Áp dụng điều kiện < (0,7 – 0,8).

 < 0,7.

 Db >2,782 m

34



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Chọn Db = 3 m

• Kiểm tra lại Re:

Re = = 7,114 => (thoả 0,2 < Re < 500)

Vậy đường kính buồng bơc là Db = 3000 mm





4.7.2. Tính chiều cao buồng bốc (Hb)

Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [7]:

Utt = f.Utt(1 at); m3/(m3.h)



(4.6)



Trong đó:

• f – hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

Utt(1 at)=(1600 ) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at

Chọn Utt(1 at) = 1650 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [7])

=>

Utt = 1,1.1650 = 1815 m3/(m3.h)

• Thể tích buồng bốc:

Vb = = = 12,835 m3

• Chiều cao buồng bốc: Hb = = = 1,8158 m

Ta chọn Hb =2 m.

4.8. Tính kích thước buồng đốt

4.8.1. Số ống truyền nhiệt

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III-49), trang 134, [9]:

n = = = 994 ống











Trong đó:

F = 140,43 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt

l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt

d – đường kính của ống truyền nhiệt

Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 30 mm



Theo bảng V.11, trang 48, [7], chọn số ống n = 1045 và bố trí ống theo hình lục giác

đều.

4.8.2. Đường kính ống tuần hồn trung tâm (Dth)

35



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [11]:

Dth =



(4.7)



Chọn ft = 0,3FD = 0,3. = 0,3. = 0,285 m2

Dth = = 0,6024 m Chọn Dth = 0,7 m



4.8.3.



Kiểm tra: = = 23,3333 > 10 (thỏa điều kiện 290 [5])

Đường kính buồng đốt (Dt)

Đối với thiết bị cơ đặc có ống tuần hồn trung tâm và ống đốt được bố trí theo

hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo cơng thức (III52), trang 135, [9]:

Dt =

= = 1,73 m



















Trong đó:

là hệ số có giá trị từ 1,3 đến 1,5. (Chọn = 1,3). => t =1,3dn là bước ống (m)

dn = 0,034 m là đường kính ngồi của ống truyền nhiệt

là hệ số sử dụng vỉ ống, có giá trị (0,7 – 0,9). Chọn = 0,8

= 1 m là chiều dài ống truyền nhiệt

Dth = 0,7– đường kính ngồi của ống tuần hồn trung tâm

= 60o là góc ở đỉnh của tam giác đều

= 140,43 m2 diện tích bề mặt truyền nhiệt

Ta chọn Dt= 2 m

4.8.4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

1045 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều như sau:

Số hình lục giác

Số ống trên đường xuyên tâm

Tổng số ống của thiết bị



17

35

1045



Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần

hoàn trung tâm. Điều kiện thay thế được suy ra từ công thức (V.140), trang 49, [7]:

Dth ≤ t.(b-1) + 4.dn; m (b là số ống trên đường chéo)

(4.8)

36



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Suy ra: b + 1 = +1 = 13,76

Chọn b = 14

Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 14 ống trên đường xuyên

tâm

Số ống truyền nhiệt được thay thế là n’ = 0,75.(b 2 – 1) +1 = 0.75.(142 - 1) +1 =

148 ống

Số ống truyền nhiệt còn lại là n = 1045 - 148 = 897 ống

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

F’ = (n’.dt + Dth).π.H = (897.0,034 + 0,7).π.1,5 = 147,02 m2 > 140,43 m2

4.9.



Tính kích thước các ống dẫn

Đường kính của các ống được tính một cách tổng quát theo công thức (VI.41),

trang 74, [7]:



d=

Trong đó:

• G – lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s

• v – tốc độ của lưu chất; m/s

• ρ – khối lượng riêng của lưu chất; kg/m3



(4.9)



4.9.1. Ống nhập liệu

Gđ = 11042 kg/h

Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 10%). Chọn v = 0,5 m/s (trang 74,

[7]).

ρ = 1104,2 kg/m3

Suy ra, d = = 0,0841 m

Chọn dt = 100 mm và dn = 108 mm

4.9.2. Ống tháo liệu

Gc = 3680,67 kg/h



37



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cơ đặc một nồi NaOH



Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 30%). Chọn v = 0,5 m/s (trang 74,

[7]).

ρ = 1277,3 kg/m3

Suy ra, d = = 0,0451 m

Chọn dt = 50 mm và dn = 57 mm

4.9.3. Ống dẫn hơi đốt

D = 2,2116 kg/s

Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 4 at. Chọn v = 25 m/s (trang 74, [7])

ρ = 0,4718 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [6]).

Suy ra, d = = 0,4886 m

Chọn dt = 500 mm và dn = 526 mm

4.9.4. Ống dẫn hơi thứ

W = 7361,33 kg/h

Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 0,5236 at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [7]).

ρ = 0,316 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [6]).

Suy ra, d = = 0,5741 m

Chọn dt = 600 mm và dn = 620 mm

4.9.5. Ống dẫn nước ngưng

Chọn Gn = D/3

Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 4 at. Chọn v = 0,75 m/s (trang

74, [7]).

ρ = kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1])

38



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Suy ra, d = = 0,0368 m

Chọn dt = 50 mm và dn = 57 mm



39



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cơ đặc một nồi NaOH



C. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

4.10. Tính cho buồng đốt

4.10.1. Sơ lược cấu tạo







Buồng đốt có đường kính trong Dt = 2000 mm, chiều cao Ht = 1500 mm.

Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí khơng







ngưng.

Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.



4.10.2. Tính tốn

Bề dày tối thiểu S’:





Hơi đốt là hơi nước bão hồ có áp suất 4 at nên buồng đốt chịu áp suất trong



là:

pm = pD – pa = 4 – 1 = 3 at = 0,2942 N/mm2

Áp suất tính tốn là:

Pt = pm + ρgH = 0,2942 + 1277,3.9,81.10-6.1,5 = 0,313 N/mm2

• Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 142,8 oC, vậy nhiệt độ tính tốn của buồng

đốt là:

ttt = tD + 20 = 142,8 + 20 = 162,8 oC

(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

• Theo hình 1.2, trang 16, [12], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t tt

là:

[σ]* = 115 N/mm2

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [12])

⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η.[σ]* = 0,95.115 = 109,25 N/mm2

• Tra bảng 2.12, trang 34, [12]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E =

2,05.105 N/mm2.

Với: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [12], hàn 1 phía)

= = 331,8 > 25

• Áp dụng cơng thức 5-3, trang 96, [12]

S’ = = = 3,02 mm



40



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Bề dày thực S:

Dt = 3000 mm ⇒ Smin = 5 mm > 3,02 mm

⇒ chọn S’ = Smin = 5 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [12]).

• Chọn hệ số ăn mòn hố học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).

• Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.

• Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,5 mm (theo bảng





XIII.9, trang 364, [7]).

 Tổng hệ số bổ sung bề dày:

C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,5 = 1,5 mm

 Bề dày thực:

S = S’ + C = 5 + 1,5 = 6,5 mm

Chọn S = 7 mm

Kiểm tra bề dày buồng đốt:

Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [12]:

= = 0,005 < 0,1 (thỏa)

Áp suất cho phép trong buồng đốt:

[P] = = = 0,6209 > pt = 0,3068 (N/mm2)

Vậy bề dày buồng đốt là 7 mm.

Đường kính ngồi của buồng đốt: Dn = Dt + 2S = 2000 + 2.7 = 2014 mm

Tính bền cho các lỗ:

Đường kính lỗ cho phép khơng cần tang cứng (công thức 8-2, trang 163,

[12])

dmax = ; mm

Với k là hệ số bền của lỗ:

k = = = 0,416

 dmax = = 19,147 mm



41



Đồ án Thiết kế máy thiết bị



Thiết bị cô đặc một nồi NaOH



Ống dẫn hơi đốt

dt = 500 mm > dmax

Cần tăng cứng

Ống xả nước ngưng

dt =50 mm > dmax

Cần tăng cứng

Ống thốt khí khơng ngưng

dt =150 mm > dmax

Cần tăng cứng

• Biện pháp tăng cứng: dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng

bằng bề dày thân (7 mm).

4.11. Tính cho buồng bốc

4.11.1. Sơ lược về cấu tạo





Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 3000 mm, chiều cao H = 2000











mm.

Thân có 5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa

Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt.

Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.



4.11.2. Tính tốn

Bề dày tối thiểu S’:





Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân khơng nên chịu áp lực từ bên

ngồi. Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,5236 at nên buồng



bốc chịu áp suất ngoài là:

Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,5236 = 1,4764 at = 0,1448 N/mm2

• Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 81,9 oC, vậy nhiệt độ tính tốn của

buồng bốc là:

• ttt = 81,9 + 20 = 101,9 oC (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

• Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [12], hàn 1 phía)

• Theo hình 1.2, trang 16, [12], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu

ở ttt là:

• [σ]* = 121 N/mm2

• Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [12]).

⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là: [σ] = η.[σ]* = 0,95.121 = 114,95

N/mm2

• Tra bảng 2.12, trang 34, [12]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E =

2,05.105 N/mm2.

• Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1 -6, trang 14, [12]).

• ⇒ Ứng suất chảy của vật liệu là σc’ = [σ]*.nc = 121.1,65 = 199,65

N/mm2

42



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×