Đồ án kỹ thuật thực phẩm Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD Nguyễn Hữu Quyền BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG[.]
TỔNG QUAN
Tổng quan về sản phẩm
Methanol còn được gọi là rượu gỗ hay ancol metylic, có công thức hóa học là
CH 3 OH Là chất lỏng không màu, dễ bay hơi và rất độc Các thông số của methanol:
- Khối lượng riêng: ρ = 0,7918 g/cm 3 = 791,8 kg/m 3
- Nhiệt độ nóng chảy: -97ºC (175,6 K)
Methanol được dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong,
Methanol được hình thành từ quá trình trao đổi chất yếm khí của một số vi sinh vật, khiến trong không khí xuất hiện một lượng nhỏ hơi methanol Sau vài ngày, methanol trong không khí sẽ bị oxy hóa bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng thành CO2 và H2O, theo phương trình phản ứng: CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2 H2O.
Hiện nay Methanol được sản xuất trực tiếp bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt ở áp suất thấp
Nước là chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và nước rất cần thiết cho sự sống
Khi ở điều kiện bình thường nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị
Khi ở trạng thái rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau
Các thông số của nước:
Nhiệt độ nóng chảy:0 ºC
Nước là dung môi phân cực, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học
Bảng 1: Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp Methanol – Nước ở 1 atm tºC 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100
Quá trình và thiết bị chưng cất
Chưng cất là quá trình tách các thành phần của hỗn hợp chất lỏng hoặc hỗn hợp khí–lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của từng thành phần Thay vì đưa vào một pha mới để hai pha tiếp xúc như trong quá trình hấp thụ hay nhả khí, chưng cất tạo ra pha mới thông qua sự bay hơi và ngưng tụ Quá trình này cho phép phân lập các chất thành các thành phần riêng biệt bằng cách chuyển đổi trạng thái từ lỏng sang hơi và ngược lại, từ đó hỗ trợ tinh chế và tối ưu hóa hiệu suất xử lý hỗn hợp trong công nghiệp.
Trong trường hợp đơn giản nhất, cô đặc và chưng cất có thể xem là hai cách thức tương tự, nhưng giữa chúng vẫn tồn tại một khác biệt nhỏ về cơ chế Ở quá trình chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các thành phần của hỗn hợp hiện diện ở cả hai pha nhưng với tỉ lệ khác nhau; ngược lại, trong quá trình cô đặc chỉ dung môi bay hơi còn chất tan ở lại và không bay hơi, tạo ra dung dịch cô đặc với nồng độ chất tan cao hơn so với ban đầu.
Trong quá trình chưng cất, ta thu được nhiều cấu tử khác nhau từ hỗn hợp và số lượng sản phẩm sẽ tương ứng với số cấu tử có mặt trong hệ Theo nguyên tắc chung, hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ cho bấy nhiêu sản phẩm riêng biệt Ví dụ, với một hệ hai cấu tử, ta sẽ thu được hai sản phẩm tương ứng.
Sản phẩm đỉnh: chủ yếu là cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần ít các cấu tử có độ bay hơi bé
Sản phẩm đáy: chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi bé và một phần ít cấu tử có độ bay hơi lớn
VD: đối với hệ Methanol – nước thì:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol
Sản phẩm đáy chủ yếu là nước
1.2.2 Các phương pháp chưng cất
Phân loại theo áp suất làm việc
Phân loại theo nguyên lý làm việc
- Chưng bằng hơi nước trực tiếp
- Chưng cất đa cấu tử
Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Trong sản xuất chưng cất, nhiều loại thiết bị khác nhau được dùng để tiến hành quá trình này, nhưng các yêu cầu cơ bản vẫn giống nhau, ví dụ diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng phải lớn để đảm bảo hiệu quả trao đổi Khi pha khí được phân tán vào pha lỏng ta có tháp mâm, còn khi pha lỏng được phân tán vào pha khí ta gặp tháp chêm và tháp phun Bài viết này khảo sát hai loại thiết bị chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
Tháp mâm là thiết bị công nghiệp có thân hình trụ, thẳng đứng, bên trong chứa các mâm có cấu tạo khác nhau Các mâm này cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau trên từng tầng, từ đó diễn ra quá trình trao đổi khối lượng và nhiệt để thực hiện phân ly, cô đặc hoặc tinh chế Thiết kế đa dạng của các mâm tối ưu hóa sự tiếp xúc giữa hai pha và nâng cao hiệu suất của tháp mâm trong các ứng dụng công nghiệp.
Tùy theo cáu tạo đĩa ta có:
+ Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, chữ s,
+ Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
Tháp chêm (tháp đệm) là một tháp hình trụ gồm nhiều mặt ghép lại với nhau bằng mặt bích hoặc mối hàn Vật chêm được đưa vào tháp theo hai phương pháp phổ biến: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự, tùy mục đích và thiết kế Quá trình lắp ráp nhằm đảm bảo liên kết giữa các mặt chắc chắn, tạo nên sự ổn định và khả năng chịu tải cho cả hệ thống Việc sắp xếp các viên chêm ảnh hưởng đến phân bổ lực, hiệu suất vận hành và an toàn, do đó việc thiết kế, gia công và kiểm tra kỹ lưỡng là rất cần thiết Với ứng dụng đa dạng, tháp chêm đòi hỏi tối ưu hóa cách bố trí và liên kết để đạt hiệu quả và độ bền cao trong vận hành thực tế.
Bảng 2: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản
- Làm việc được với chất lỏng bẩn
- Trở lực tương đối thấp
- Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp
- Độ ổn định không cao,
- Không làm việc được với chất lỏng bẩn
Trong đồ án này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol – Nước.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Thuyết minh quy trình
Hỗn hợp methanol – nước có nồng độ methanol nhập liệu 28% theo khối lượng và nhiệt độ khoảng 28°C tại bình chứa nguyên liệu được máy bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị sẽ được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy, sau đó hỗn hợp được gia nhiệt đến độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu Sau khi gia nhiệt sẽ được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu; trên đĩa nhập liệu chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp và chảy xuống Trong tháp, hơi sẽ đi từ dưới lên và gặp chất lỏng từ trên xuống, ở đây sẽ có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau (pha lỏng và pha hơi).
Trong quá trình cất, hơi di chuyển lên qua các đĩa tháp từ dưới lên trên, nơi nhiệt độ càng xuống càng thấp khiến các cấu tử có nhiệt độ sôi cao như nước ngưng tụ ở vùng trên Tại đỉnh tháp, hỗn hợp thu được có methanol chiếm phần lớn với nồng độ khối lượng lên tới 95% Hơi sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu trở về tháp ở đĩa trên cùng, phần còn lại được làm nguội đến 40°C rồi đưa vào bình chứa sản phẩm đỉnh.
Trong quá trình chưng cất, các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bay hơi trước, trong khi các cấu tử có nhiệt độ sôi cao còn lại lỏng dần và tích tụ ở đáy tháp, hình thành một hỗn hợp lỏng tại đáy chứa chủ yếu các cấu tử khó bay hơi như nước Hỗn hợp lỏng đáy tháp có nồng độ methanol là 1,5% theo khối lượng, phần còn lại là nước Hỗn hợp này khi ra khỏi tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt cùng dòng nhập liệu và sau đó được đưa đến bồn chứa sản phẩm đáy.
Hệ thống sẽ làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Methanol và sản phẩm đáy là nước sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu ở nhiệt độ 60ºC.
Sơ đồ quy trình
Hoàn lưu về đĩa trên cùng
Bình chứa sản phẩm đỉnh
Bồn chứa sản phẩm đáy
Ngưng tụ Trao đổi nhiệt
Chú thích các ký hiệu trong quy trình:
3 Thiết bị đun sôi nhập liệu
7 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
8 Bồn chứa sản phẩm đỉnh
10 Nồi đun sản phẩm đáy
13 Bồn chứa sản phẩm đáy
14 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các thông số ban đầu
Tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp Hỗn hợp:
Năng suất nhập liệu: 1800Kg hỗn hợp/h
Nồng độ nhập liệu: ̅ F = 28% (kg Methanol/kg hỗn hợp)
Nồng độ sản phẩm đỉnh: ̅ D = 95% (kg Methanol/kg hỗn hợp)
Nồng độ sản phẩm đáy: ̅ W = 1,5 % (kg Methanol/kg hỗn hợp)
+ Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: t BĐ = 28ºC
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t LN = 60ºC
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t V = 28ºC
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t R = 40ºC
+ Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi
G F , F: suất lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h
G D , D: suất lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h
G W , W: suất lượng sản phẩm đáy, kmol/h
L: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h y i : nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol x i của pha lỏng, kmol/kmol y*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol x i của pha lỏng, kmol/kmol
Cân bằng vật chất
3.2.1 Nồng độ mol của Methanol trong tháp x F = ̅ ̅ ̅ =
Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng được đồ thị t-x, y cho hệ Methanol – nước
16 Đồ thị 1: đồ thị t – x, y cho hệ Methanol – nước
Ta có khối lượng trung bình dòng nhập liệu:
3.2.2 Suất lượng mol của các dòng vật chất
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp
Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình:
Xác định chỉ số hồi lưu
3.3.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Từ số liệu ở Bảng 1 ta xây dựng được đồ thị
18 Đồ thị 2: Đồ thị cân bằng pha của hệ Methanol – nước ở áp suất 1atm
Để xác định trạng thái nhập liệu cho tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi, từ đồ thị 1 tại xF = 0,1795 ta suy ra nhiệt độ nhập liệu TF = 83,5°C cho tháp chưng cất Nội suy từ đồ thị 2 cho kết quả y*F = 0,4655.
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu làm việc
Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu
Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết
3.4.3 Phương trình đường nồng độ làm việc phần cất
Vậy phương trình làm việc phần luyện là:
3.4.4 Phương trình đường nồng độ làm việc phần chưng
) Vậy phương trình làm việc phần chưng là:
3.4.5 Xác định số mâm lý thuyết
Từ đồ thị ta đếm được 6 mâm lý thuyết, trong đó có 4 mâm phần luyện và 2 mâm phần chưng
3.4.6 Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N tt =
N tt : số mâm thực tế d
Trong quá trình chưng cất, số mâm lý thuyết (Nlt) là thước đo khả năng phân tách của hệ thống, còn ηtb biểu thị hiệu suất trung bình của quá trình này Hiệu suất trung bình của chưng cất được xem là một hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng, tức ηtb = f(độ bay hơi tương đối, độ nhớt của hỗn hợp lỏng) Công thức trên cho thấy mức độ tối ưu hóa quá trình chưng cất phụ thuộc và hai tham số chính này.
Với : Ƞ Ƞ Ƞ Ƞ Ƞ (công thức IX.60 trang 171, [2]) a Xác định hiệu suất trung bình của tháp Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: (công thức IX.61, [2])
Với: x: phần mol của Methanol trong pha lỏng y*: phần mol của Methanol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
Tại vị trí nhập liệu
Ta có x_F = 0,1795 Dựa vào đồ thị cân bằng của hệ Methanol – nước, nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là t_F = 83,5ºC; từ đồ thị 2 nội suy được y_F* = 0,4655 Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi được xác định từ các hệ số bay hơi tương đối và đặc tính pha Methanol – nước.
Ta có ̅ F = 28% và t F = 83,5ºC Tra bảng 1.102 trang 96, [1] => độ nhớt của nước: cP
Dùng đồ toán 1.18 trang 90, [1] => độ nhớt của methanol 0,267*10 -3 Ns/m 2 = 0,267 cP
Theo công thức (I.I2) trang 84, [1]: Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
Tra hình IX trang 171, [2] => ȠF = 46%
Tại vị trí mâm đáy
Ta có x W = 0,0085 tra đồ thị cân bằng hệ Methanol – nước ta có nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là: t W = 98.5ºC, nội suy từ đồ thị 2 ta được y * F = 0,052
22 Độ bay hơi tương đối:
Ta có ̅ W = 1,5 % và t W = 98,5ºC Tra bảng 1.102 trang 96 (sổ tay 1) => độ nhớt của nước: cP
Dùng đồ toán 1.18 trang 90, [1] => độ nhớt của methanol 0,215 Cp Theo công thức (I.I2) trang 84, [1]: Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
Tra hình IX trang 171 (sổ tay 2) => ȠW = 43%
Tại vị trí mâm đỉnh
Trong hệ Methanol – nước ở trạng thái cân bằng, x_D = 0,9144 được tra từ đồ thị cân bằng Nhiệt độ nhập liệu cho tháp chưng cất là t_D = 65,8°C Qua nội suy từ đồ thị thứ hai, ta được y*_D = 0,972 Độ bay hơi tương đối được xác định dựa trên các tham số này và đóng vai trò quan trọng trong đánh giá hiệu suất và thiết kế của quá trình chưng cất Methanol – nước.
Ta có ̅ D = 95 % và t D = 65,8ºC Tra bảng 1.102 trang 96 (sổ tay 1) => độ nhớt của nước: cP
Dùng đồ toán 1.18 trang 90 (sổ tay 1) => độ nhớt của methanol 0,325
Theo công thức (I.I2) trang 84 (sổ tay 1): Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
Tra hình IX trang 171 (sổ tay 2) => ȠD = 48%
Vậy hiệu suất trung bình của tháp: Ƞ b Số mâm thực tế tháp chưng cất:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N tt =
Vậy chọn số mâm thực tế là N tt = 14 mâm.
TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất
Q nt : nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng
Tra tài liệu (sổ tay 1), bảng I.250, trang 312, t D = 65,8ºC ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r N = 2346,968 (KJ/kg)
Tra tài liệu (sổ tay 1) bảng I.213 trang 257: Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r R = 267,85 (kcal/kg) = 1120 (KJ/Kg)
Q F : Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào
Q F = G F H F = G F c F (t F – t o ) (KJ/h) Chọn nhiệt độ tiêu chuẩn: t o = 20ºC Ở nhiệt độ = = 51,75 ºC, tra bảng 1.154 trang 172,[1] => ta có nhiệt dung riêng của nước: c R = 2718,15 (J/kg.độ)
Q W : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
Q W = G W H W = W M W c w (t w – t o ) (KJ/h) Chọn nhiệt độ tiêu chuẩn t o = 20ºC
Do sản phẩm đáy chứa nhiều nước nên ta có thể tính nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy theo công thức sau: c w = (1 - ̅ W ) 4186 = (1 – 0,015) 4186 = 4123,21 (J/kg.độ)
Q D : Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách
Q D = D M D c D (t D – t o ) (KJ/h) ở = = 43,4 ºC, tra bảng I.154 trang 172 (sổ tay 1)
25 ta có nhiệt dung riêng của rượu: c R = 2685,3 (J/kg.độ)
Vậy nhiệt độ cung cấp cho nồi đun đáy tháp
Chương5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính toán kích thước thiết bị
5.1.1 Đường kính tháp a Phần luyện
khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện: x L = =
= 0,54695 mol 0,5469 mol Nội suy từ đồ thị ta được nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
T LL = 71,6 Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:
Tra bảng 1.249/trang 311(sổ tay tập 1):
Khối lượng riêng của nước ở 71,6 : N = 975,53 kg/m 3
Khối lượng riêng của methanol ở 71,6 : R = 743,34 kg/m 3 Áp dụng công thức (1.2)/trang 5 (sổ tay tập 1):
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: y L = 0,7006x + 0, 274 = 0,7006*0,5469 + 0,274 = 0,6571
Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: T HL = 69,7
Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
M HL = y L M R + (1 – y L ).M N = 0,6571.32 + (1 – 0,6571).18 = 27,1994 kg/kmol Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
= 0,9673 kg/m 3 Chọn khoảng cách mâm h = 250mm
Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:
= 0,814 m/s Lưu lượng pha hơi đi trong phần luyện của tháp:
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng:
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng: x C = =
= 0,094 (mol methanol/mol hỗn hợp)
Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: T LC = 93,8
Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong chưng:
= 0,1475 (kg methanol/kg hỗn hợp)
Tra bảng 1.249/trang 311(sổ tay tập 1):
Khối lượng riêng của nước ở 93,8 : N = 963,31 kg/m 3
Tra bảng 1.2/trang 9 (sổ tay tập 1):
Khối lượng riêng của methanol ở 93,8 : R = 722,98 kg/m 3 Áp dụng công thức (1.2)/trang 5 (sổ tay tập 1):
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng:
Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: y C = 2,28x C 0, 011 = 2,28*0,094 0,011 = 0,203 Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng: T HC = 91,1
Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần chưng:
MHC = yC.MR + (1 – yC).MN = 0,203.32 + (1 – 0,203).18 = 20,84 kg/kmol Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng:
= 0,697 kg/m 3 Chọn khoảng cách mâm h = 250mm
Vận tốc pha hơi đi trong phần chưng:
= 1,016 m/s Lưu lượng pha hơi đi trong phần chưng của tháp:
= 0,768 m Tra bảng IX.4a/trang 169 (sổ tay tập 2), ta chọn theo chuẩn D = 600 mm Kết luận: đường kính tháp là D = 0,6 m
Vận tốc pha hơi trong tháp theo thực tế:
Chiều cao toàn tháp: sử dụng công thức IX.54/trang 169 (sổ tay tập 2):
Chọn đáy (nắp) tiêu chuẩn có = 0,25 suy ra h t = 0,25.D = 0,25 0,9 = 0,225 m
Chọn chiều cao gờ: h g = 25mm = 0,025 m
Chiều cao đáy (nắp): H đn = h t + h g = 0,225 + 0,025 = 0,25 m
Kết luận: chiều cao toàn tháp: H = 3,78 m.
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:
Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm
Đường kính lỗ dl = 3mm = 0,003m
Chiều cao gờ chảy tràn: h gờ = 30mm = 0,03m
Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm
Lỗ bố trí theo hình lục giác đều
Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng thép không gỉ X18H10T
Gọi a là số hình lục giác Áp dụng công thức (V.139)/trang 48 (sổ tay tập 2):
Số lỗ trên đường chéo: b = 2a – 1 = 99 lỗ a Trở lực của đĩa khô: Áp dụng công thức (IX.140)/trang 194 (sổ tay tập 2):
= Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 10% diện tích mâm thì = 1,82
Vận tốc hơi qua lỗ: =
Vận tốc hơi qua lỗ: =
= 9,26 m/s Nên: = 1,82 = 54,39 N/m 2 b Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra: Áp dụng công thức trang 68, [3]
L gờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m
K = b / L : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5
Q L = : suất lượng thể tích của pha lỏng, m 3 /s
Tính chiều dài gờ chảy tràn:
Ta có: S quạt – = S bán nguyệt
Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:
Tính toán tương tự như phần luyện:
Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng:
5.1.4 Trở lực sức căng bề mặt
Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm Áp dụng công thức (IX.142)/trang 194 (sổ tay tập 2):
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 71,6 thì:
Tra bảng 1,249/trang 310 (sổ tay tập 1) sức căng bề mặt của nước NL 0,6564 N/m
Tra bảng 1,242/trang 300 (sổ tay tập 1) sức căng bề mặt của rượu RL 0,0182 N/m Áp dụng công thức I.76/trang 299 (sổ tay tập 1):
Tính toán tương tự như phần luyện:
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng T LC = 93,8 thì:
Tra bảng 1,249/trang 310 (sổ tay tập 1) sức căng bề mặt của nước NC 0,6023 N/m
Tra bảng 1,242/trang 300 (sổ tay tập 1) sức căng bề mặt của rượu RC 0,0165 N/m Áp dụng công thức I.76/trang 299 (sổ tay tập 1):
= 16,51 N/m 2 5.1.5 Tổng trở lực thủy lực của tháp
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:
= = 66,78 18,15 206,11 = 291,04 N/m 2 Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:
Kiểm tra hoạt động của mâm:
Kiểm tra khoảng cách mâm h = 0,25m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h > 1,8 (trang 30/võ văn bang,vũ bá minh “quá trình và tbi trong cnhh – tập 3: truyền khối”,nxb ĐHQG tp.hcm 2004)
Với các mâm trong phần luyện trở lực thủy lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thủy lực của mâm trong phần chưng, ta có:
=> Điều kiện trên được thỏa
Kiểm tra tính đông nhất của hoạt động của mâm
Từ công thức trang 70, ta có vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi V min đủ để cho các lỗ trên mâm đều hoạt động:
Các lỗ trên mâm đều hoạt động
Tổng trở lực thủy lực của tháp:
P = N ttL P L N ttC P C = 9.291,04 5.289,30 = 4065,86 (N/m 2 ) 5.1.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động
Khoảng cách giữa 2 mâm: h = 250mm
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ổng chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20/trang120): h d = h gờ h 1 P h d’ (mm.chất lỏng) Trong đó:
- h gờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)
- h 1 : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm)
- P : tổng trở lực của 1 mâm (mm.chất lỏng)
- h d’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm được xác định theo công thức (5.10/trang115) (): h d’ = 0,128.(
- : lưu lượng của chất lỏng (m 3 /h)
- : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm
35 Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd h h d 125mm a Phần luyện: h lL = 0,0095 1000 = 9,5 mm
) = 7,64 (mm.chất lỏng) Nên: h dL = 30 9,5 36,25 7,64 = 75,75 mm < 125 mm
Vậy: khi hoạt động thì mâm ở phần luyện sẽ không bị ngập lụt b Phần chưng: h lC = 0,0073 1000 = 7,3 mm
Vậy: khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt
Kết luận: khi hoạt động thì tháp sẽ không bị ngập lụt.
Tính toán cơ khí thiết bị
Vì tháp hoạt động ở áp suất thường, ta thiết kế thân tháp hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện với hàn giáp mối hai phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, ta chọn thép không gỉ mã X18H10T làm vật liệu thân tháp.
Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán:
Nhiệt độ tính toán cho tháp được xác định bằng t = t_max = 100, bảo đảm điều kiện vận hành và an toàn Đối với áp suất tính toán, tháp hoạt động ở áp suất thường nên giá trị áp suất được chọn là P = áp suất thủy tĩnh Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp được xác định dựa trên đặc tính vật lý của chất lỏng và điều kiện vận hành, nhằm phục vụ cho các tính toán liên quan đến trọng lượng và mô phỏng quá trình trong tháp.
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:
Vì môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm Ca
= 1 mm Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:
Vì vật liệu là X18H10T [ ] * = 142 (N/m 2 ) (h 1.2/trang 16 (7))
Vì thiết bị không bọc bởi lớp cách nhiệt = 1 (trang 26(7)) Ứng suất cho phép :
Hệ số bền mối hàn :
Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía
= 0,95 (bảng XIII.8/trang 362 (sổ tay tập 2)
= 0,121 mm S ’ + C a = 0,121 + 1 = 1,121 mm Quy tròn theo chuẩn: S = 2 mm (bảng XIII.9/trang 364 (sổ tay tập 2)
Bề dày tối thiểu: S min = 2 mm (bảng 5.1/trang 94 [7])
Kiểm tra độ bền: Điều kiện: 0,1
Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 3 mm
Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với = 0,25 điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp
Kết luận: kích thước của đáy và nắp: Đường kính trong: = 900 mm h t = 225 mm
Chiều cao gờ: h gờ = 25 mm
5.2.3 Bề dày mâm a Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán
Nhiệt độ tính toán: t = t max = 100 Áp suất tính toán: P = P thủy tĩnh + P g chọn bề dày gờ chảy tràn là 3mm
Thể tích của gờ chảy tràn: V = 0,403.0,03.0,003 = 3,63.10 –5 m 3
Tra bảng XII.7/trang 313 (trịnh văn dũng, ‘qt và tb trong cnhh – bt truyền khối)
khối lượng riêng của thép X18H10T là: = 7900 kg/m3
Khối lượng gờ chảy tràn: m = V = 3,63.10 –5 7900 = 0,2868 kg Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn
= = 4,42 N/m 2 Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp:
- Khối lượng riêng của nước và methanol ở 88,9 :
Tra bảng 1.249/trang 311 (sổ tay tập 1) ta được = 966,7 kg/m 3
Tra bảng 1.2/trang 9 (sổ tay tập 1) ta được = 720,8 kg/m 3 Áp dụng công thức 1.2/trang 5 (sổ tay tập 1)
= 961,5 kg/m 3 Áp suất thủy tĩnh:
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:
Thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm
Ca = 1mm Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:
Vì vật liệu là X18H10T [ ] = 142 N/mm2
Hệ số hiệu chỉnh : = 1 Ứng suất cho phép : [ ] = [ ] = 142 N/mm2
Mô đun đàn hồi: E = 20 N/cm2
Hệ số Poisson: = 0,33 (bảng XII.7/trang 313, sổ tay 2)
Hệ số điều chỉnh : = 0,571 b Tính bề dày : Đối với bản tròn đặc ngàm kẹp chặt theo chu vi : Ứng suất cực đại ở vòng chu vi : =
( ) (công thức 6.36, trang 100,nguyễn minh tuyển, ô cơ sở tớnh toỏn mỏy và thiết bị húa chất – thực phẩm ằ, nxb kh và kt, HN, 1984) Đối với bản có đục lỗ : = =
Kiểm tra điều kiện bền: Độ võng cực đại ở tâm: =
(ct 6.35/trang 100, nguyễn minh tuyển …)
40 Đối với bản có đục lỗ: = =
= = Để đảm bảo điều kiện bền thỡ: < ẵ S
Bề dày S đã chọn thỏa điều kiện
Vậy bề dày mâm: S = 2 mm
5.2.4 Bích ghép thân và nắp
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị, giúp tạo liên kết chắc chắn và kín giữa các thành phần khi vận hành Các loại mặt bích thường được sử dụng phổ biến nhằm đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm mặt bích hàn, mặt bích ren, mặt bích ghép và mặt bích mềm, mỗi loại có đặc điểm phù hợp với điều kiện áp suất, nhiệt độ và chất lỏng đi qua.
Bích liền là bộ phận nối liền với thiết bị theo cách hàn, đúc và rèn Loại bích này chủ yếu được dùng cho các thiết bị làm việc ở áp suất thấp và áp suất trung bình.
Bích tự do là giải pháp nối ống dẫn được ưu tiên cho các hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao, liên kết các bộ phận làm từ kim loại màu và các hợp kim của chúng, đặc biệt hữu ích khi cần chế tạo mặt bích từ vật liệu có độ bền cao hơn thiết bị, tăng khả năng chịu nhiệt và độ bền của toàn bộ hệ thống.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ
Tra bảng XIII.27/trang 417(sổ tay tập 2), ứng với = = 900 (mm) và áp suất tính toán P = 0,0363 (N/mm2) chọn bích có các thông số sau:
Tra bảng IX.5/trang 170 (sổ tay tập 2), với h = 250 mm khoảng cách giữa 2 mặt bích là 1000 mm và số mâm giữa 2 mặt bích là 4
Số mặt bích cần ghép là 6 chiếc, được tính từ công thức 14/4 + 2 Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định; đệm được làm bằng vật liệu mềm hơn so với vật liệu của bích Khi xiết bulông, đệm bị biến dạng và lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích, giúp tăng khả năng kín Vì vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị, ta chọn đệm là dây amiăng, có độ dày 3 mm.
5.2.5 Đường kính các ống dẫn - bích ghép các ống dẫn Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn:
Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10mm
Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d 10mm, đôi khi có thể dùng với d 32mm Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ a Ống nhập liệu:
Khối lượng riêng của hỗn hợp: T F = 83,5
Tra bảng 1.249/trang 310 (sổ tay tập 1) ta được = 969,92 kg/m 3
Tra bảng 1.2/trang 9 (sổ tay tập 1) ta được = 717,28 kg/m 3
Suy ra khối lượng riêng của hỗn hỗn khi nhập liệu vào tháp
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là v F = 1 m/s Đường kính trong của ống nối:
Do ống = 30 mm không có trong bảng tra nên chọn ống có = 32 mm
Tra bảng XIII.26/trang 409 (sổ tay tập 2)
các thông số của bích ứng với P = 0,0363 N/mm 2 là:
Dy Dn D D1 h Bu lông db Z
Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp : y D = x D = 0, 9144
Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp: T HD = 64,9
Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
M HD = y D M R + (1 – y D ).M N = 0,9144.32 + (1 – 0,9144).18 = 30,80 kg/kmol Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là v HD = 50 m/s Đường kính trong của ống nối:
do ống = 60 mm không có trong bảng tra nên chọn ống có = 70 mm Tra bảng XIII.32/trang 434 (sổ tay tập 2) chiều dài đoạn ống nối l = 110 mm
Tra bảng XIII.26/trang 409 (sổ tay tập 2) các thông số của bích ứng với P 0,0363 N/mm 2 là:
Dy Dn D D1 h Bu lông db Z
Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đỉnh tháp: x P = 0,9144
Nhiệt độ trung bình của pha lỏng ở đỉnh tháp: T LD = 65,8
Khối lượng riêng của nước và methanol ở 65,8 :
Tra bảng 1.249/trang 311 (sổ tay tập 1) ta được = 978,2 kg/m 3
Tra bảng 1.2/trang 9 (sổ tay tập 1) ta được = 740,5 kg/m 3 Áp dụng công thức 1.2/trang 5 (sổ tay tập 1)
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là v LD = 0,5 m/s Đường kính trong của ống nối:
Tra bảng XIII.26/trang409 (sổ tay tập 2) các thông số của bích ứng với P 0,0363 N/mm2
Dy Dn D D1 h Bu lông db Z
40 45 130 100 80 12 M12 4 d Ống hoàn lưu ở đáy tháp
Nồng độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp: y W = x W = 0,0085
Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp: T HW = 97,2
Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
= 0,596 kg/m 3 Chọn vận tốc hơi ra khỏi đáy tháp là v HW = 120 m/s
45 Đường kính trong của ống nối:
Tra bảng XIII.32/trang 434 (sổ tay tập 2) chiều dài đoạn ống nối l = 110 mm
Tra bảng XIII.26/trang 409 (sổ tay tập 2) các thông số của bích ứng với P 0,0363 N/mm 2 là:
Dy Dn D D1 h Bu lông db Z
80 89 185 150 128 14 M16 4 e Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp:
Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đáy tháp: x W = 0,0085
=> Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp: T HD = 88,9
Khối lượng riêng của nước và methanol ở 88,9 :
Tra bảng 1.249/trang 311 (sổ tay tập 1) ta được = 966,7 kg/m 3
Tra bảng 1.2/trang 9 (sổ tay tập 1) ta được = 720,8 kg/m 3 Áp dụng công thức 1.2/trang 5 (sổ tay tập 1)
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là v LW = 0,5 m/s Đường kính trong của ống nối:
Tra bảng XIII.32/trang 434 (sổ tay tập 2) chiều dài đoạn ống nối l = 90 mm
Tra bảng XIII.26/trang409 (sổ tay tập 2) các thông số của bích ứng với P 0,0363 N/mm2
Dy Dn D D1 h Bu lông db Z
5.2.6 Tai treo và chân đỡ a Chân đỡ
Tính trọng lượng của toàn tháp:
Tra bảng XII.7/trang 313 (sổ tay tập 2):
Khối lượng riêng của tháp CT3 là: = 7850 kg/m 3
Khối lượng của một bích ghép thân: mbích ghép thân = ( ) = (1,03 2 – 0,9 2 ) 0,022 7850 34,03 kg
Khối lượng của 1 mâm: m mâm =
= 0,9 2 0,002 0,82 7900 = 8,24 kg Khối lượng của thân tháp : m thân = ( ) H thân
Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m đáy(nắp) = S bề mặt = 0,95 0,002 7900 = 15,01 kg
Khối lượng của toàn tháp: m = 8 mbích ghép thân + 14 m mâm + m thân + 2 m đáy(nắp)
Suy ra: trọng lượng toàn tháp: P = m g = 4870,404 (N)
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân
Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3
Tải trọng cho phép trên một chân: G c = = = = N Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: G c = 5000 N
Tra bảng XIII.35/trang 437 (sổ tay tập 2) chọn chân đỡ có các thông số sau:
Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3
Ta chọn 4 tai treo, tải trọng cho phép trên 1 tai treo : Gt = Gc = 5000 N
Tra bảng XIII.36/trang 438 (sổ tay tập 2) chọn tai treo có các thông số sau:
Khối lượng một tai treo : m tai treo = 1,23 kg
TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
Các thiết bị truyền nhiệt
6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ-ống loại thẳng đặt nằm ngang phù hợp với hệ thống trao đổi nhiệt hiện tại Ống truyền nhiệt được chế tạo từ thép X18H10T, có kích thước 25×2 mm và chiều dài ống 1,5 m, đáp ứng yêu cầu về độ bền và khả năng chịu áp lực Đường kính ngoài của ống là 0,025 m (25 mm), đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt và khớp nối với các thành phần khác trong hệ thống ngưng tụ.
Bề dày ống: Đường kính trong: dtr = 0,021 m
- Nước lạnh đi trong ống với nhiệt độ t v = 28ºC , nhiệt độ ra: t r = 40ºC
- Sản phẩm đáy đi trong ống ngoài với nhiệt độ vào t ps = 65,8ºC và nhiệt độ ra t pr = 35 ºC
- Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 65,8 ºC
Các tính chất vật lý của nước lạnh được trong tài liệu tham khảo (sổ tay 1), (bảng 1.249 trang 310) ứng với nhiệt độ trung bình: t tbN = ºC
- Nhiệt dung riêng của nước: C N = 4,181 (KJ/kg.độ)
- Khối lượng riêng của nước: (Kg/m 3 )
- Độ nhớt động lực của nước: 0,7371 10-3 (N.s/m2)
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: = 0,6242 (W/mºK) a Xuất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh: b Xác định bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Với: K: hệ số truyền nhiệt
: nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều:
Xác định hệ số truyền nhiệt K
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
Với: α N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 ºK) α R : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m 2 ºK)
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống:
Chọn vận tốc nước đi trong ống VN = 1 (m/s)
Tra bảng V.II trang 48 [2] => với số ống n = 62 ống
= Áp dụng công thức (1.74) trang 28 (5) => công thức xác định chuẩn số Nusselt:
Với: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re N và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống Re N (330 và L/d tr = 1,5/0,021 > 50
- Pr N : chuẩn số Prandlt của nước 34ºC, nên Pr N = 5
- Pr w : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung ình của vách
Hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong: c Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
∑ Trong đó: t w1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, ºC t w2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước lạnh, ºC
Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: (W/mK)
Nhiệt trở bẩn trong ống r 1 = 1/5000 (m 2 K/W)
Nhiệt trở bẩn cáu ngoài ống r 2 = 1/5800 (m 2 K/W) d Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống: Điều kiện:
- Ngưng tụ hơi bảo hòa
- Không chứa không khí không ngưng
- Hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống
- Màng chất ngưng tụ chảy tầng
- Ống nằm ngang Áp dụng công thức (3.65) trang 120, [4] => đối với ống đơn chiếc nằm ngang thì:
( ) Tra bảng V.II trang 48 [2] => với số ống n = 62 thì số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh là: b=9
Tra hình V.20 trang 30, [2] => hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và ống trong mỗi dãy thẳng đứng là
Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống: α ngưng = ε tb α 1 = 0,6 α 1
Dùng phép lặp: chọn t w1 = 59ºC
Nhiệt độ trung bỡnh của màng chất ngưng tụ: t m = ẵ(t ngưng + t w1 )b,4 ºC Tại nhiệt độ này thì:
- Khối lượng riêng của nước: 982,0 kg/m 3
- Khối lượng riêng của Methanol: 753,5 kg/m 3
Nên khối lượng riêng của hỗn hợp là:
6.1.2 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Hơi đốt là hơi nước ở 2,0 at đi trong ống 38 x 3 Tra bảng 1.251/trang 314 (sổ tay 1):
- Nhiệt hóa hơi: = r n = 2208 kJ/kg
Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:
- Trước khi vào nồi đun (lỏng): t S1 = 88,9
- Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 97,2 a Suất lượng hơi nước cần dùng:
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:
0,95Q đ = (R + 1).G D r D + G D (h DS – h FS ) + G W (h WS – h FS ) h FS = t FS = [ ̅ ̅ ] t FS h WS = t WS = [ ̅ ̅ ] t WS h DS = t DS = [ ̅ ̅ ] t DS
Tra bảng 1.249/trang 310 (sổ tay 1):
Nhiệt dung riêng của nước ở 83,5 = 4,198 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước ở 88,9 = 4,231 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước ở 65,8 = 4,184 kJ/kg.K
Tra bảng 1.154/trang 172 (sổ tay 1)
Nhiệt dung riêng của methanol ở 83,5 = 2,876 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 88,9 = 2,892 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 65,8 = 2,782 kJ/kg.K
Enthalpy: h FS = [ ] 83,5 = 330,72 kJ/kg.K h WS = [ ] 88,9 = 375,12 kJ/kg.K h DS = [ ] 65,8 = 190,95 kJ/kg.K
Tra bảng 1.250/trang 312 (sổ tay 1)
Nhiệt hóa hơi của nước ở 65,8 = = 2344,8 kJ/kg
Dùng toán đồ 1.65/trang 255 (sổ tay 1)
Nhiệt hóa hơi của methanol ở 65,8 = = 330,5 Kcal/kg = 1383,74 kJ/kg Nên: = ̅ + (1 – )
Tính lượng hơi nước cần dùng:
Nhiệt lượng cần cung cấp:
Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Q đ =
Tra bảng 1.251/trang 314 (sổ tay 1)
Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,0 at = = 2208 kJ/kg
= 1858,15 kg/h b Hiệu số nhiệt độ trung bình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức như đối với tường phẳng:
: hệ số cấp nhiệt của hơi đốt, W/m 2 K
: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy, W/m 2 K
∑ : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi đốt (trong ống),
: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống),
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ:
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống:
Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống:
Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống: Áp dụng công thức (V.89)/trang 26 (sổ tay 2):
Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm ở ngoài ống:
Tại nhiệt độ sôi trung bình thì:
Khối lượng riêng của pha hơi trong dòng sản phẩm ở ngoài ống:
= 0,594 kg/m 3 Khối lượng riêng của nước:
Khối lượng riêng của methanol: