BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ[.]
TỔNG QUAN
Hỗn hợp acetone – nước
1.1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học
Acetone hay propanone là chất hữu cơ có công thức phân tử C3H6O, có công thức cấu tạo như hình 1.1.
Acetone, với công thức cấu tạo như hình 1.1, là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi và dễ cháy, có mùi hăng đặc trưng Dưới điều kiện thường, acetone có khả năng hòa tan vô hạn trong nước và cũng tan trong nhiều hợp chất hữu cơ như methanol, ethanol, chloroform, diethyl ether và benzene.
Bảng 1.1 Một số thông số vật lý của acetone
Công thức phân tử CH 3 COCH 3
Khối lượng phân tử, g/mol 58,079
Nhiệt dung riêng, Kcal/mol (102 o C) 22
Acetone có nhóm carbonyl chưa no, cho phép nó tham gia vào các phản ứng cộng hợp ái nhân với các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có đôi điện tử tự do Nó cũng có khả năng tương tác với các anion như OH\(^-\), RO\(^-\), CN\(^-\), H\(_2\)O, và HSO\(_3\)Na.
CH 3 COCH 3 + RMgX CH 3 C(OH)(R)CH 3 + Mg(OH)X
CH 3 COCH 3 + NaHSO 3 → CH3C(OH)(CH 3 )SO 3 Na
CH 3 COCH 3 CH3COCH2C(OH)(CH 3 )CH 3 Phản ứng khử:
CH3COCH3 + H2 → CH3CH(OH)CH3
CH 3 COCH 3 + 4[O] → CH 3 COOH + CO 2 + H 2 O
Nhiệt phân muối Calcium acetate:
(CH 3 COO) 2 Ca → CaO + CO 2 + CH 3 COCH 3
Acetone là một dung môi quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm và công nghiệp Trong phòng thí nghiệm, acetone được dùng để làm sạch thiết bị và dụng cụ thủy tinh Với khả năng hòa tan tốt các chất như tơ acetate, nitroxenlulose, nhựa phenol formaldehyde, chất béo và cao su, acetone là lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm như sơn, sơn mài, vecni và mực in Ngoài ra, acetone còn là nguyên liệu chính để tổng hợp các hợp chất như thủy tinh hữu cơ, methyl methacrylate và bisphenol A, cũng như các sản phẩm khác như ceten và sumfonat thuốc ngủ.
1.1.2 Nước Ở điều kiện thường, nước là chất lỏng, không màu, không mùi, không vị Khi hóa rắn, nước có thể tồn tại ở các dạng khác nhau.
Bảng 1.2 Một số tính chất vật lý của nước
Khối lượng phân tử, g/mol 18,01528
Nhiệt độ nóng chảy, oC
Nước chiếm 3/4 diện tích trái đất và là yếu tố thiết yếu cho sự sống của con người và sinh vật Với tính chất là dung môi quan trọng, nước có độ phân cực mạnh, giúp hòa tan nhiều chất phân cực khác nhau Ngoài ra, nước còn rẻ và an toàn, do đó, nó đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong kỹ thuật hóa học.
Acetone tan vô hạn trong nước.Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của acetone (56,9 o
C) và nước (100 o C) cách nhau một khoảng nhiệt độ tương đối lớn Để tách acetone ra khỏi hỗn hợp không thể dùng cô đặc, trích ly hay hấp thụ vì acetone và nước đều có khả năng bay hơi Khi thêm một cấu tử vào hệ, quá trình tách trở nên phức tạp hơn và không thể tách hoàn toàn Vì thế, ta dùng phương pháp chưng cất để tách acetone và nước.
Bảng 1.3 Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp acetone - nước ở Ptm (Đơn vị: x, y % phần mol, T: o C) x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60,3 72,0 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100
Hình 1.2 Đồ thị x-y của hệ acetone – nước
Hình 1.3 Đồ thị T-x,y của hệ acetone – nước
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Thuyết minh về quy trình công nghệ
Tại bồn chứa nguyên liệu, hỗn hợp acetone – nước với nồng độ 20% theo số mol của acetone ở nhiệt độ 30 °C được bơm vào bồn cao vi và sau đó được đưa vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu để gia nhiệt ban đầu, tận dụng phần nhiệt của sản phẩm đáy Tại đây, dòng nhập liệu trao đổi nhiệt với hơi nước bão hòa có áp suất 2at, gia nhiệt đến nhiệt độ sôi 64,5 °C Trước khi vào thiết bị trao đổi nhiệt, lưu lượng dòng nhập liệu được đo và điều khiển qua bộ điều khiển lưu lượng để duy trì lưu lượng 2000 kg/h Cuối cùng, dòng nhập liệu được dẫn vào tháp chưng cất tại vị trí nhập liệu, mâm số 4.
Chất lỏng được phân phối đều xuống phần chưng trong tháp, nơi lỏng và hơi chuyển động ngược dòng Lỏng đi từ trên xuống dưới, tiếp xúc và trao đổi nhiệt với hơi đi từ dưới lên Các cấu tử dễ bay hơi như acetone trong pha lỏng được nồi đun Kettle gia nhiệt đến nhiệt độ sôi và bay hơi, sau đó quay lại tháp chưng cất Khi pha lỏng di chuyển xuống, acetone bị pha hơi lôi cuốn, làm giảm nồng độ acetone trong pha lỏng Nhiệt độ giảm dần khi lên cao, khiến các cấu tử có nhiệt độ cao hơn như nước bị ngưng tụ và rơi xuống đáy tháp Do đó, phần đỉnh tháp thu được hỗn hợp chứa chủ yếu acetone với nồng độ khoảng 90% theo số mol, và hơi ra khỏi tháp được dẫn vào thiết bị ngưng tụ.
Sản phẩm đỉnh được ngưng tụ hoàn toàn và chứa trong bồn phân phối lỏng, trong khi các khí không ngưng tụ được xả qua van xả Tại bồn này, sản phẩm đỉnh được hồi lưu về tháp chưng cất với tỷ số hồi lưu 0,509 và một phần được làm nguội đến nhiệt độ phòng trước khi chứa trong bồn chứa sản phẩm đỉnh Sau khi hồi lưu, acetone trong dòng lưu được pha hơi lôi cuốn, trong khi nước rơi xuống phần đáy tháp, nơi chứa chủ yếu là nước Cuối cùng, sản phẩm đáy được thu vào bồn chứa sản phẩm đáy, và hệ thống hoạt động liên tục để thu được acetone ở phần đỉnh, trong khi sản phẩm đáy sau khi trao đổi hệ với dòng nhập liệu sẽ được thải bỏ.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Giả thuyết
- Hỗn hợp nhập liệu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi.
- Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn cất.
- Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của pha hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
- Thiết bị làm việc ở áp suất thường P=1 atm.
- Loại tháp chưng cất: Tháp mâm xuyên lỗ.
3.1.2 Các thông số ban đầu:
- Hỗn hợp ban đầu: acetone - nước ở 30 oC.
- Suất lượng nhập liệu: 2000 kg/h.
- Nồng độ phần mol của acetone trong hỗn hợp nhập liệu: 20%.
- Nồng độ phần mol của acetone trong sản phẩm đỉnh: 90%.
- Nồng độ phần mol của acetone sản phẩm đáy: 0,5%
3.1.3 Các ký hiệu được sử dụng:
- F và G F : là lưu lượng của dòng nhập liệu theo kmol/h và kg/h.
- D và GD: là lưu lượng của sản phẩm đỉnh theo kmol/h và kg/h.
- W và G W : là lưu lượng của sản phẩm đáy theo kmol/h và kg/h.
- x̅̅̅: Phân khối lượng Ethanol trong dòng nhập liệu.
- x̅̅̅:Phân khối lượng Ethanol trong sản phẩm đỉnh F D
- x̅̅̅̅: Phân khối lượng Ethanol trong sản phẩm đáy.W
3.1.4 Tính toán các dòng cân bằng vật chất
Phân mol Acetone trong dòng nhập liệu: xF = 0,2.
Phân mol Acetone trong dòng sản phẩm đỉnh: x D = 0,90.
Phân mol Acetone trong dòng sản phẩm đáy: x W = 0,005.
Phân khối lượng Acetone trong dòng nhập liệu: x̅ F = x F 58
Phân khối lượng Acetone của dòng sản phẩm đỉnh: ̅̅̅x = x D 58
Phân khối lượng Acetone của dòng sản phẩm đáy: x̅̅̅̅ = x W 58
Phân tử lượng trung bình:
Suất lượng dòng nhập liệu (tính theo kmol/h)
Khối lượng riêng trung bình của dòng sản phẩm đỉnh: ρ
Với: ρacetone: Khối lượng riêng của Acetone nguyên chất ở 25 o C. ρ nước : Khối lượng riêng của nước cất ở 25 o C. x̅̅̅: Phân khối lượng Acetone trong sản phẩm đỉnh.
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất:
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình
Bảng 3.2 Tóm tắt các số liệu tính toán cân bằng vật chất
Năng suất Nồng độ x Phân tử lượng Năng suất Nồng độ x Thông số nguyên liệu (%mol) trung bình Mtb (Kmol/h) (% khối lượng)
Xác định chỉ số hồi lưu
3.2.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu đại diện cho chế độ làm việc khi số mâm lý thuyết đạt đến vô cực Trong trường hợp này, chi phí cố định trở nên vô cực, trong khi chi phí vận hành, bao gồm nhiên liệu và nước giải nhiệt, vẫn tồn tại.
Do đồ thị cân bằng của hệ Acetone – Nước có điểm uốn, nên xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách:
Hình 3.1 Giản đồ x – y của hệ Acetone – Nước và tiếp tuyến
Trên giản đồ xy, đường làm việc phần cất AB đi qua giao điểm của đường nhập liệu và đường cân bằng, tương ứng với tỉ số hoàn lưu tối thiểu mà không vượt qua đường cân bằng Cách xác định này áp dụng cho các dạng đường cân bằng như thể hiện trong hình 3.1 Với giá trị x F = 0,2, ta có y* F = 0,803.
Khi nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi, có thế được xác định theo biểu thức:
Chỉ số hoàn lưu thích hợp được xác định theo công thức sau:
3.2.2 Phương trình làm việc và xác định số mâm
3.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất: (IX.20 trang 144) [2] y n+1 = R
3.2.2.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: (IX.22 trang 158)
Ta có: L = G F = 2000 = 2,210 =>> Chỉ số nhập liệu
Hình 3.2 Giản đồ cân bằng lỏng hơi và số mâm lý thuyết của hệ Acetone – Nước
Từ đồ thị xác định số mâm lý thuyết: Nlt = 6 mâm.
Trong đó, 3 mâm cất, 2 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu vị trí mâm số 4.
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Ntt = N lt η tb
Trong đó: η tb : Hiệu suất trung bình của mâm là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hụ̃n hợp lỏng: η tb = f (α,à).
Hình 3.3 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị (I.101/91[1])
Ntt: Số mâm thực tế.
N lt : Số mâm lý thuyết.
Xác định hiệu suất trung bình của tháp η : Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = 1 y
Với x: Phân mol của rượu trong pha lỏng y ∗ : Phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
Tại vị trí nhập liệu:
Từ x F = 0,20, tra bảng 1.3, ta có: tF = 64,5 o C, y * F = 0,803
Tra bảng I.101 trang 91[1]: Tại nhiệt độ t F = 64,5 o C Độ nhớt của nước: à nước = 0,444 (cP). Độ nhớt của Acetone: à acetone = 0,223 (cP). Độ nhớt của hụ̃n hợp nhập liệu (Cụng thức I.12 trang 84)[1]: log (à
F ) = x F log μ acetone + (1 − x F ) log μ nước = 0,20.log (0,223) + (1 − 0,20).log (0,444)
Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ηF= 0,33
Tại vị trí mâm đáy:
= 0,005 tra bảng 1.3, ta có: tW = 97,79 o C; y * =0,06 w
Tại nhiệt độ tW = 97,79 °C, độ nhớt của nước là 0,292 cP và độ nhớt của acetone là 0,173 cP Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu được tính theo công thức I.12, với log μ W = x W log μ acetone + (1 − x W ) log μ nước, cho kết quả là 0,005.log(0,173) + (1 − 0,005).log(0,292).
Tra đồ thị IX.11 trang 171 [2] → η W = 0,36
Tại vị trí mâm đỉnh: x
= 0,90 ta tra bảng 1.3, ta có t D = 57,5; y * = 0,943
Tại nhiệt độ tDW,5 o C, độ nhớt của nước là 0,489 cP và độ nhớt của acetone là 0,234 cP Để tính độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu, ta sử dụng công thức log μ D = x D log μ acetone + (1 − x D ) log μ nước, với x D = 0,90 Kết quả tính toán cho thấy log μ D = 0,90.log (0,234) + (1 − 0,90).log (0,489).
Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ηD= 0,59
Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số về Độ nhớt, Hiệu suất và nhiệt độ
Mâm nhập liệu Mâm đáy Mâm đỉnh
(F) (W) (D) Độ nhớt (à) 0,387 (cP) 0,291 (cP) 0,252 (cP)
Suy ra hiệu suất trung bình của tháp: η = η F +η W +η D = 0,33+0,36+0,59
Số mâm thực tế tháp chưng cất: Ntt N lt
Vậy thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ cho hệ Acetone – nước cần có 14 mâm Trong đó có:
• 1 mâm nhập liệu (vị trí số 4)
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất
Phương trình cân bằng năng lượng:
4.1.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp Q F
Tại nhiệt độ nhập liệu : tF = 64,5 o C, tra bảng I.147/165 [1] và I.153/171 [1], ta có
C P nước = 4,189 (kJ/Kg.độ ), C Pacetone = 2,320 (kJ/kg.độ)
4.1.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D2
Dùng hơi nước bão hòa cũng cấp ở áp suất P = 2at Tra bảng I.251/314 [1], ta có, nhiệt độ hơi nước t 2 = 119,6 o C; nhiệt hóa hơi của nước r 2 = 2208 (kJ/kg).
Tra bảng I.148 (trang 166, [1]) ta có:
C P2 = 0.506 (kcal/kg.độ) = 2.1185 (kJ/kg.độ)
4.1.3 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào
Suất lượng dòng hồi lưu: GR = GD.R = 905,028.0,509 = 460,66 (Kg/h)
Tại tR = tD = 57,5 o C, tra bảng I.147/165 [1] và bảng I.153/171 [1], ta có:
CP nước = 4,186 (kJ/Kg.độ ), C P acetone = 2,297 (kJ/Kg.độ)
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy:
Trong đó, D là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp:
Ta có: acetone = r acetone + t D C P acetone và nước = r nước + t D C P nước
Tại t D = 57, 5 o C, tra bảng I.212/254 [1], ta có r acetone = 521,257 (kJ/kg) và r nước = 2425,466 (kJ/kg)
Tra bảng I.147/165 [1] và bảng I.153/171 [1], ta có:
C Pnước = 4,186 (kJ/kg.độ ), C Pacetone = 2,297 (kJ/kg.độ)
4.1.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q w :
Tại t w = 97,79 0 C, tra bảng I.147/165 [1] và bảng I.153/171 [1], ta có:
C Pnước = 4,217 (kJ/kg.độ ), C Pacetone = 2,428 (kJ/kg.độ)
4.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ng2
4.1.6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q xq2 :
Vậy lượng hơi đốt cần dùng:
Bảng 4.1 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất
Nhiệt lượng của dòng nhập liệu mang vào tháp Q F = 432849,95 (kJ/h) Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp QD = 1098364,1 (kJ/h)
Nhiệt lượng của dòng hồi lưu Q R = 62493,89 (kJ/h)
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp đạt 982963,40 kJ/h, trong khi nhiệt lượng do dòng sản phẩm ở đáy tháp là 448398,4 kJ/h Ngoài ra, nhiệt lượng do nước ngưng mang ra là 113082,1 kJ/h, và nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh là 49264,1 kJ/h.
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng năng lượng:
Tại t D = 57,5 o C, tra bảng I.212/254 [1] ta có: racetone = 521,26 (kJ/kg) và rnước = 2425,466 (kJ/kg)
Tra bảng I.153/171 [1] tại T ̅ = 35 0 C, ta có C n = 4,178 (kJ/kg.độ)
Vậy lượng nước lạnh cần tiêu tốn để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng năng lượng:
Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t′ W,5 0 C, chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh t′
Tra bảng I.147/165 [1] và bảng I.153/171 [1], ta có:
C Pnước = 4,182 (kJ/kg.độ ), C Pacetone = 2,239 (kJ/kg.độ) → C PD = 2,393 (kJ/kg.độ)
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Phương trình cân bằng năng lượng:
Q f 2+ QD1 = QF + Qxq1+ Qng1 (IX.149 trang 196 [2])
Q ng1 : nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
+ G ng1 : lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h
Q D1 : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
+ r 1 : ẩn nhiệt hóa hơi, kJ/Kg
+ 1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt
+ C P1 : nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ.
Q f : nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
+ F ̅ : lượng hỗn hợp đầu, kg/h
+ t f : nhiệt độ đầu của hỗn hợp, o C
+ C Pf : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ
Q F : nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
+ cF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra, J/kg.độ
+ t F : nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, o C
Q xq1 : Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Tại: tf = 30 o C, tra bảng I.147/165 [1] và bảng I.153/171 [1], ta có:
= 4,181 (kJ/kg.độ ), C Pacetone = 2,210 (kJ/kg.độ)
Tại t F = 64,5 o C, tra bảng I.147/165 [1] và bảng I.153/171 [1], ta có:
C P nước = 4,188 (kJ/kg.độ ), C P acetone = 2,313 (kJ/kg.độ)
Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun nóng hỗn hợp nhập liệu đến nhiệt độ sôi là:
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất P = 2at Tra bảng I.251/314 [1], ta có, nhiệt độ hơi nước t1 = 119,6 o C; nhiệt hóa hơi của nước r1= 2208 (kJ/kg).
C P 1= 0,506 (kcal/kg.độ) = 2,1185 (kJ/kg.độ)
Vậy nhiệt lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu:
Bảng 4.2 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Nhiệt lượng của hỗn hợp nhập liệu mang vào là Qf = 198097,85 kJ/h, trong khi nhiệt lượng của hỗn hợp nhập liệu mang ra đạt QF = 432383 kJ/h Để đun sôi hỗn hợp nhập liệu, nhiệt lượng hơi đốt cần thiết là QD1 = 274916,08 kJ/h.
Lượng hơi nước cần thiết để đun nóng hỗn hợp nhập liệu D 1 = 111,69 (kJ/h)
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ng1 = 522456,72(kJ/h) Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh Q xq1 = 12330,8(kJ/h)
Bảng 4.3 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 4
Nhiệt lượng của dòng nhập liệu mang vào tháp QF = 432849,95 (kJ/h)
Lượng hơi đốt cần dùng cho tháp chưng cất D 2 = 446,232 (kg/h)
Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp Q D = 1098364,1 (kJ/h)
Nhiệt lượng của dòng hồi lưu Q R = 62493,89 (kJ/h)
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Q y = 982963,40 (kJ/h)
Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp Qw = 448398,4 (kJ/h)
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp Q ng2 = 113082,1 (kJ/h)
Nhiệt lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu Q D1 = 274916,08 (kJ/h)
Lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu D 1 = 111,69 (kg/h)
Nhiệt lượng cung cấp làm nguội sản phẩm đỉnh Qn2 = 37894,3 (kJ/h)
Lượng nước tiêu tốn để làm nguội sản phẩm đỉnh G n2 đạt 906,996 kg/h, trong khi nhiệt lượng ngưng tụ của sản phẩm đỉnh Q n1 là 759758,7 kJ/h Để ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh Gn1, cần cung cấp 18184,75 kg/h nước.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Kích thước tháp chưng cất
Theo công thức (IX.89, IX.90 trang 181, [2]) ta có:
Trong đó: Vtb: lượng hơi (khí) trung bính đi trong tháp, m 3 /h
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s g : Lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h
( × ) : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 s
− Lượng hơi trung bình đi trong phần chưng và phần luyện khác nhau, do đó đường kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau.
• Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất của tháp
Theo công thức IX.91, trang 181, [2]: g tb =
Trong đó: g đ - lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h g 1 -lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h
Lượng hơi đi vào đoạn luyện, lượng hơi g 1 và hàm lượng hơi y 1 và lượng lỏng G 1 đối với đĩa
29 thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trính cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: g 1 = G 1 + D
+ r 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
+ r d : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
Tại t1 = tF = 64,5 o C, tra bảng I.212/254, [1] ta có: ra1= 29810,84 (kJ/kmol); rn1 = 43295,76 (kJ/kmol)
Tại tD = 57,5 o C, tra bảng I.212/254, [1] ta có : rad= 30233,08 (kJ/kmol); rnd C658,46 (kJ/kmol)
= x F = 0,2 thay vào hệ phương trình ta được: g 1 = G 1 + 16,76 { g 1 y 1 = G 1 0,2 + 16,76.0,95 g 1 (43295,76 – 13484,92 y1) = 25,29.30998,327
Giải hệ trên ta được :
• Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Theo công thức IX.111/186, [2]: ω gh = 0.05 × √ ρ xtb
+ xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m 3 ).
+ ytb: khối lượng riêng trung bình trong pha hơi (Kg/m 3 ).
Theo công thức IX.102/183, [2]: ρ ytb =
+ Nồng độ phân mol trung bình: y = y 1 + y D
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất: ttb = tF + tD
Nồng độ phần mol trung bình: x tb1 = x F + x D
58 x tb + (1 − x tb ) 18 58.0,55 + (1 − 0,55) 18 t tb = 61 o C, tra bảng I.2/9, [I], ta được:
+ Khối lượng riêng trung bình của acetone: acetone = 744,65 (kg/m 3 )
+ Khối lượng riêng trung bình của nước: nước = 982,45 (kg/m 3 )
Suy ra : ω gh = 0,05 × √ ρ xtb = 0,05 × √ 783,03 = 1.02 (m/s) ρ ytb 1,881 Để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ωytb =0,8×ωgh = 0,8×1,02=0,816 (m/s) Vậy đường kính phần cất:
Lượng hơi trung bình đi trong tháp g′ tb = g′n+g′1 (IX.91/181 [2])
Trong đó: g’n: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng g’ 1 : Lượng hơi đi vào đoạn chưng
Theo các công thức IX.98 – IX.100/182, [2] ta có hệ phương trình:
Với: G ’ 1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’ 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
• Tính r’ 1 : x W = 0,005 tra đồ thị hệ cân bằng ta có: y W = 0,06 t’ 1 = t W = 97,79 o C, tra bảng I.212/254 [1], ta được: r’nước = 40786,88 (kJ/kmol); r’acetone = 27587,87 (kJ/kmol)
{G′ 1 x′ 1 = g′ 1 0,06 + 60,163.0,005 g′ 1 39994,94 = 23,485.33384,34 x'1= 0,0185 phần mol Acetone → M tbG’ = 18,74 (kg/kmol)
5.1.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Theo công thức IX.111, trang 186, [2]: ρ′ ω’ gh = 0.05√ ρ′ ytb xtb
+ ρ ' xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m 3 ).
+ ρ ' ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m 3 ).
+ Nồng độ phần mol trung bình: y′ tb = y 1 + y w
+ Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng: t′ tb = t F + t W
− Nồng độ phân mol trung bình: x F + x W 0,2 + 0,005 x’ tb = = = 0,103
34 t’ tb = 81,15 o C, tra bảng I.2/9 [1], ta có:
Khối lượng riêng trung bình của acethanol: ’ acetone = 717.505 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng trung bình của nước: ’ nước = 971,195 (kg/m 3 )
1,167 Để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ω′ ytb = 0.8 × ω’ gh = 0.8 × 1,379 = 1,103 (m/s)
Vậy đường kính đoạn chưng:
Kết luận: Hai đường kình đoạn chưng và đoạn luyện không chênh lệch nhau quá lớn, nên ta chọn đường kính của toàn tháp là D t = 0.8 m
Khi đó, tốc độ làm việc thực ở:
Cấu tạo mâm lỗ
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền với:
+ Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm,
+ Chiều cao của gờ chảy tràn trên mâm h gờ = 0,025 (m)
+ Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo hình lục giác đều)
+ Bề dày mâm xuyên qua lỗ: δ = 0,003 m
+ Diện tích hình bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm,
+ Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T
Vậy, số lỗ trên một mâm là:
S lỗ d lỗ 0,003 Áp dụng công thức (V,139), trang 48, [2]: N = 3a.(a-1) + 1, trong đó a là số hình lục giác,
Giải phương trình bậc 2 → a = 44 → Tổng số lỗ NV89
Vậy ta bố trí các lỗ trên một mâm thành 34 hàng, vậy số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 2.44 – 1 = 87 lỗ
5.2.1 Trở lực của đĩa khô Áp dụng công thức (IX.140), trang 194, [2]: ΔPk = ξ ω′2.ρH 2 Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm thì = 1,82
Vận tốc hơi qua lỗ: v o = ω 8% lv = 0,364 0,08 = 4,548 (m/s)
Vận tốc hơi qua lỗ: v’ o = ω′ 8% lv = 0,35 0,08 = 4,38 (m/s)
5.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt:
Vì đĩa có đường kính lỗ lớn hơn 1mm Áp dụng công thức IX.142/194, [2]: ΔPσ = 1,3d lỗ + 0,08d 2 lỗ 4σ
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất tLC = 61 0 C
Sức căng bề mặt của nước NC = 0,6601 (N/m)
Sức căng bề mặt của acetone AC = 0,0185 (N/m) Áp dụng công thức I.76/ 299, [1]: 1
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng t’LC = 81,15 0 C
Sức căng bề mặt của nước ’ NC = 0,6240 (N/m)
Sức căng bề mặt của acetone ’AC = 0,0161 (N/m) Áp dụng công thức I.76/ 299, [1]: 1 = 1 + 1 = 1 2
5.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra:
Trở lực thủy lực qua lớp chất lỏng bọt trên mâm: Pb = 1,3.hb.K b.g ( trang 285 [3])
Trong đó: h b : Chiều cao của lớp chất lỏng bọt trên mâm (m).
K = b/ L: tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5. g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s 2 )
Chiều cao của lớp chất lỏng bọt: hb = hgờ + ∆h
Chiều cao lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn: ∆h = (
Trong đó: k = b / L : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5. n M
Tính chiều dài gờ chảy tràn:
Ta có: S quạt – S tam giác = S bán nguyệt
Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần cất:
Lưu lượng của chất lỏng trong phần cất của tháp là
Trở lực thủy lực qua lớp chất lỏng bọt trên mâm:
Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng
Lưu lượng của chất lỏng trong phần chưng của tháp là
Với MF = 26(kg/kmol), MD = 54 (kg/kmol)
Trở lực thủy lực qua lớp chất lỏng bọt trên mâm:
5.2.4 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp:
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần cất của tháp là:
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:
5.2.5 Kiểm tra hoạt động của mâm:
Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,3 m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h > 1,8 ΔPC ρl.g
Với các mâm trong phần chưng trở lực thuỷ lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực của mâm trong phần cất, ta có:
= 0,05 < 0,3 ρ g 783,03 × 9,81 l Điều kiện trên được thỏa.
Tổng trở lực thủy lực của tháp:
P = N tt chất P cất + N tt chưng P chưng = 8 196,76 + 5.217,86 = 2663,39 (N/m 2 )
Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động
Khoảng cách giữa 2 mâm: h = 300 (mm) ( bảng IX.5/170 [2] )
Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo công thức 5.20/120, với các thành phần bao gồm h gờ, h l, P và h d’ (mm.chất lỏng).
Trong đó: h gờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm) hl: 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 5.10/115, [4]:
QL: lưu lượng của chất lỏng (m 3 /h).
S d : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm.
4 Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: h d
Nên: h d cất = 25 + 3,620 + 25,62 + 1,5.10 -5 = 54,24 (mm) < 150 (mm) Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt.
217,86 × 1000 = 28,36 (mm chất lỏng) chưng ρ l g 783,03 × 9,81 h ′ d chưng = 0,128 (
Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt.
Kết luận: Khi hoạt động tháp sẽ không bị ngập lụt.
Tính toán cơ khí của tháp
Chiều cao thân tháp là (IX.54 /70, [2] )
Htháp: chiều cao của tháp (m)
Ntt: số mâm thực tế h d : khoảng cách giữa các mâm (m)
Tra bảng IX.5 /170, [2] chọn giá trị hd = 0,30 (m), chọn = 0,003 ( )
Tháp chưng cất dạng thẳng đứng, chịu áp suất trong và áp suất ngoài nên ta chọn đáy (nắp) dạng elip tiêu chuẩn: ℎ = 0,25 = 0,25.0,8 = 0,2( )
Vậy chiều cao đáy (nắp): đá ( ắ ) = ℎ + ℎ ờ = 0,2 + 0,025 = 0,225 ( )
Kết luận: Chiều cao toàn tháp là: H = H thân + 2.H đáy (nắp) = 5,5 + 2.0,225 = 5,95 (m)
5.4.3 Tính toán cơ khí của tháp:
Tháp chưng cất được thiết kế với thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối, sử dụng các mối ghép bích để đảm bảo độ bền Để nâng cao chất lượng sản phẩm và chống ăn mòn do acetone, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là thép không gỉ mã X18H10T Áp suất tính toán cũng được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế.
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán:
Với: P cl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm 2 ).
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn nên:
Chọn nhiệt độ tính toán: ttt = tđáy = 97,79 o C.
Tra tài liệu tham khảo [1], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T:
[ ]* = 140 (N/mm2). Đối với acetone hệ số hiệu chỉnh: = 1
Vậy: ứng suất cho phép: [ ] = [ ]* = 140 (N/mm2).
Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:
Hệ số bền mối hàn: vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện nên kiểu hàn giáp mối 2 phía: h = 0,95 (bảng XII.8/362 [2])
Do đó, bề dày tính toán của thân được tính theo công thức 6-9/126 [4]
Suy ra: bề dày thực của thân : S t = S’ t + C (mm).
Trong đó C là hệ số bổ sung bề dày, C = C a + C b + C c + C o
Hệ số bổ sung C a do ăn mòn hóa học phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng, với tốc độ ăn mòn của acetone được chọn là 0,1 mm/năm Thiết bị hoạt động trong 10 năm, do đó giá trị của C a là 1 mm.
C b : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn C b = 0.
C c : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn C c = 0.
Co: hệ số bổ sung qui tròn, Co = 5%.S’t = 0,008
Vậy: S t = 1,008 + 0,185 = 1,164 (mm) → Chọn St = 3 (mm)
Kiểm tra công thức tính toán với S t = 3 (mm):
Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:
Vậy: Bề dày thực của thân là S t = 3 (mm).
5.4.3.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị:
Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T.
Hình 5 6 Bề dày đáy, nắp thiết bị
Công thức tính toán bề dày cho thân, đáy và nắp chịu áp suất là giống nhau Do đó, bề dày của đáy và nắp được chọn là Sđ = Sn = 3 mm.
Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ ( bảng XIII.10/382, [2]). Đường kính trong: D t = 800 (mm), h t 0 (mm).
Chiều cao gờ: hgờ = h = 50 (mm).
Diện tích mặt trong đáy: S đáy = 0,82 (m 2 )
5.4.4 Bích ghép thân, đáy và nắp:
Mặt bích là một bộ phận thiết yếu trong việc kết nối các phần của thiết bị và liên kết các bộ phận khác với thiết bị Có nhiều loại mặt bích được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Bích liền là bộ phận kết nối với thiết bị thông qua các phương pháp hàn, đúc và rèn Loại bích này chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị hoạt động dưới áp suất thấp và trung bình.
Bích tự do được sử dụng chủ yếu để nối ống dẫn trong môi trường nhiệt độ cao, kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị Trong khi đó, bích ren chủ yếu được áp dụng cho các thiết bị hoạt động ở áp suất cao.
-Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Hình 5 7 Bích ghép thân và đáy, nắp
Tra bảng XIII.27/419, [2] ứng với D t = 800(mm) và áp suất tính toán P tt = 0,052 (N/mm 2 ), ta chọn bích có các thông số sau:
Bảng 5 10 Thông số bích ghép thân đáy và nắp
Tra bảng IX.5/170, [2] với h = 300 (mm) → Khoảng cách giữa 2 mặt bích là 1200 mm, số mâm giữa 2 mặt bích là 4 mâm
Số bích ghép thân-đấy-nắp là 7 bích, được tính từ 14/3 + 2 Độ kín của mối ghép bích chủ yếu phụ thuộc vào vật đệm, thường được làm từ các vật liệu mềm hơn so với bích Khi bu lông được xiết, đệm sẽ biến dạng và lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Để đảm bảo độ kín cho thiết bị, nên chọn đệm bằng dây amiăng với độ dày 3 mm.
5.4.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn:
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Hình 5 8 Bích ghép các ống dẫn
Nhập liệu: tF = 64,5 o C, = 0,446 và ̅ = 2000 (Kg/h).
Khối lượng riêng của nước: = 980,525 (Kg/m )
Khối lượng riêng của aceton: = 739,925 (Kg/m 3 )
Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp: = ̅ = 2,336 (m 3 /h).
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu), tra bảng
Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: d F = 0,05 (m).
Tra bảng XIII.32/ 434, [2], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích lF = 100 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26, trang
412, [2]), ứng với D y = 50 (mm) và P tt = 0,052 (N/mm 2 )
Bảng 5 11 Thông số bích ghép ống nhập liệu
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: G D = 905,028 (Kg/h).
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức xác định ở t D = 57,5 o C và y D = 0,943
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: ℎ = = 440,46 ( 3 /ℎ)
Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: v h = 20 (m/s) (bảng II.2/370 [1]). Đường kính ống dẫn hơi:
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 100 (mm)
Tra bảng XIII.32/ 434, [2], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l h = 120 (mm).
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26/413, [2]), ứng với dh = 100 (mm) và và Ptt = 0,052
(N/mm 2 ) Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp:
Bảng 5 12 Thông số bích ghép ống dẫn hơi đỉnh tháp
Suất lượng hoàn lưu: G hl = ̅ D R = 905,028.0,509 = 460,659 (Kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, tra bảng I.2/9 [1] ở t D = 57,5 o C và = 0,967
Khối lượng riêng của nước: ướ = 984,125 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của aceton: = 748,75 (kg/m 3 ) x̅̅̅̅ 1−x̅̅̅̅
Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu: Q hl = Ghl = 460,659 = 0,610 (m 3 /h) ρhl 754,767
Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): v hl = 0,35
(m/s). Đường kính ống hoàn lưu: d hl = √
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 25 (mm)
Tra bảng XIII.32/ 434, [2], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l h = 90 (mm).
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26/411, [2]), ứng với dh = 25 (mm) và Ptt = 0,052 (N/mm 2 ).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu:
Bảng 5 13 Thông số bích ghép ống hoàn lưu
25 75 32 100 60 12 M10 Ống dẫn hơi vào đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 367,36 (Kg/h).
Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức xác định ở t W = 97,79 o C và yW = 0,06):
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: Q = g' 1
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: v hd = 20 (m/s).hd Đườ í ℎ ố ẫ ℎơ : ℎ = √
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: d hd = 0,10 (m).
Tra bảng XIII.32/ 434, [2], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd = 120 (mm).
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26/411, [2]), ứng với dhd = 100 (mm) và Ptt = 0,052 (N/mm 2 ).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp:
Bảng 5 14 Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp
100 170 108 205 148 14 M16 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:
Khối lượng riêng của chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra bảng I.2/9, [2], ở t W = 97,79 o C và x’ 1 = 0,0185, ta có:
• Khối lượng riêng của acetone: A = 695,873 (kg/m 3 )
• Khối lượng riêng của nước: N = 959,547 (kg/m 3 ).
+ Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun: G′
Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): v L = 0,3 (m/s). Đườ í ℎ ố ẫ ℎấ ỏ : = √
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: d L = 0,050 (m).
Tra bảng XIII.32/ 434, [2], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l L = 100 (mm).
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26/411, [2]), ứng với dL = 40 (mm) và Ptt = 0,052 (N/mm 2 ).
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Bảng 5 15 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
50 110 57 140 90 12 M12 4 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):
Suất lượng sản phẩm đáy: ̅ = 1094,972 (kg/h)
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy: w = 939,171 (kg/m3).
Lưu lượng sản phẩm đáy: = ̅ = 1,148
Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vw= 0,5 (m/s). Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: d W = √ 4 = √ 4.1,148 = 0,028( ).
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dW = 0,032 (m).
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l W = 90 (mm) và P tt = 0,052 (N/mm 2 ) (Tài liệu tham khảo [2]).
Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy:
Bảng 5 16 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng từ nồi đun sản phẩm đáy
Tai treo và chân đỡ
5.5.1 Tính trọng lượng của toàn tháp:
Khối lượng của một bích ghép thân:
Tra bảng XII.7, trang 313, [2] ta có: ρ X18H10T = 7900 (kg/m 3 ) m1 = 4 ( 2 − 2 ).h X18H10T = 4 (0,93 2 − 0,8 2 ).0,024.7900 = 33,49 (kg).
Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: X18H10T = 7900 (kg/m 3 ). m 2 = 4 2 â (100% − 8% − 10%) 18 10 = 4 0,8 2 0,003.0,82.7900 = 9,77 (kg).
Khối lượng của thân tháp: m3 = 4 (D 2 ng – D 2 t).Hthân X18H10T = 4 (0,811 2 − 0,8 2 ).5,5.7900 = 604,73 (kg).
Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m 4 = S đáy đáy X18H10T = 0,82 0,003 7900 = 19,434 (kg).
➔ Khối lượng của toàn tháp: m = 7.m1 + 14.m2 + m3 + 2.m4 = 1014,799(kg).
➔ Suy ra trọng lượng của toàn tháp: P = m.g = 1014,799 9,81= 9955,174 (N).
Chọn chân đỡ: Tháp được đỡ trên bốn chân Tải trọng cho phép trên một chân:
4 4 Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: G c = 0,25.10 4 ( N).
Bảng 5 17: Các kích thước của chân đỡ
L B B1 B2 H h s l d trên bề mặt đỡ F.10 -4 , m 2 q.10 -6 , N/m 2 mm
Thể tích một chân đỡ: V 1 chân đỡ = [2.(H - s).s.B 2 + L.s.B].10 -9 = [2 (240 –
Khối lượng 1 chân đỡ: m1 chân đỡ = V1 chân đỡ ρX18H10T = 0,282.10 -3 7900 = 2,32 kg.
Hình 5 6: Hình ảnh của tai treo
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 bốn tai treo tải trọng cho phép trên 1 tai treo là: G t = G C = 2500N
Bảng 5 18: Các kích thước của tấm lót tai treo bằng thép (Bảng XIII.37/439, sổ tay 2)
Chiều dày tối thiểu của thiết bị H B S H khi có lót S
Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] ta thu được các thông số sau:
Bảng 5 10 Các kích thước của tay treo
Chọn kính quan sát có các thông số sau:
• Đường kính trong D qst = 100 (mm).
• Đường kính ngoài D qsn = 180 (mm).
• Số bulông gắn kính với tháp z (bulông).
• Khoảng cách giữa 2 bulông đối nhau qua tâm h = 160 (mm).
Chọn số lượng kính quan sát là 6 (kính) đặt tại các vị trí : ống nhập liệu, ống hoàn lưu và ống dẫn hơi vào đáy tháp.
TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
Thiết bị nhiệt
6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang.
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống, đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T với các thông số: Đường kính ngoài d n = 25 mm = 0,025 m
Bề dày ống δt = 2 mm = 0,002 m Đường kính trong d tr = 0,021 m
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào t 1 = 30 o C và nhiệt độ ra t 2 = 40 o C Ta có: t tbN = t 1 + t
Tra cứu các thông số sau [1], ta có:
Khối lượng riêng n = 993,5 kg/m3 (bảng I.2/9). Độ nhớt của nước μ n = 0,000722 N.s/m 2 (bảng I.101 trang 92).
Hệ số dẫn nhiệt λn = 0,626 W/m.K (bảng I.129 trang 133).
Nhiệt dung riêng C n = 4,178 kJ/kg.K (bảng I.153 trang 172).
Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ tD = 57,5 o C.
6.1.1.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng
6.1.1.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Trong đó: aN: Hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh (W/m 2 K). ant: Hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ (W/m 2 K).
∑ : Nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn.
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Tra bảng II.2/370 [1] với vận tốc chất lỏng tự chảy chọn vận tốc nước đi trong ống v N = 0,5 m/s
Số ống trong một đường nước
Số ống trong một đường nước: n 4 4.5,05
Vận tốc thực tế của nước trong ống:
Chuẩn số Reynolds: ReN V N ρ n d tr 0,49×993,5×0,021
Trong đó: εl – hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống khi Re N > 10000
+ PrN: chuẩn số Prandlt của nước tại 35 o C, tra bảng I.249/310 [1], ta có PrN = 4,90
+ Prw: chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách
Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N = N ( − ) (W/m 2 ) = 3876,60 ( − 35) (1).
Với t w2 : Nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q = t w1 − t w2
Trong đó: r = t + r t c t t w1 : Nhiệt độ của vách tiếp xúc với Acetol (ngoài ống).
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: (bảng XII.7/313 [2]) λ t = 16,3 W/(m.độ)
Hệ số cấp nhiệt của ngưng tụ ngoài ống được xác định trong điều kiện ngưng tụ hơi bão hòa, không chứa không khí không ngưng Hơi ngưng tụ diễn ra ở mặt ngoài ống, với màng chất ngưng tụ chảy tầng và ống nằm ngang Đối với ống đơn chiếc nằm ngang, hệ số cấp nhiệt ngưng tụ có thể được tính toán.
A Đặt A = 0,725.√ nt với = (W/m2.K) μ d ng nt (57,5 - t w1 ) 0,25 Ẩn nhiệt ngưng tụ: rnt = rD = 556,32 (kJ/kg)
Nhiệt tải ngoài thành ống: qnt = α nt (57,5- tw1) = A (57,5 - tw1) 0,75 (3)
Từ (1), (2), (3) ta dùng phương pháp lặp để xác định t w1 và t w2 :
Nhiệt độ trung bình t tbD = + 1 2 = 57,5+45,7 = 51,6 o C 2
Với t tbD = 51,6°C ta có bảng 5.1
Bảng 6.1 Thông số của hệ ở ttbD = 51,6°C
Khối lượng riêng Độ nhớt (N.s/m 2 )
Hệ số dẫn nhiệt (kg/m 3 )
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể q t = q nt = 16010,295 W/m 2
Chuẩn số Prandlt ở 43,12°C (tra hình V.12 /12 [2]) ta có Pr W = 3,6
Kiểm tra sai số ε = | − | = |15573,07 −16010,295 | 100% = 2,73% < 5% → Thỏa mãn điều kiện
Vậy hệ số truyền nhiệt
6.1.1.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%)
So với L = 2,5 (m) thì số đường nước là ′ = 6,85 2,5 = 2,7398 ~3 (đường nước)
Số ống đã tăng lên gấp 3 lần, cụ thể là n N = 3.30 = 90 ống Theo bảng V.11/48, chúng ta chọn n = 91 ống Tiến hành kiểm tra hệ số cấp nhiệt của acetone với sự ảnh hưởng của cách sắp xếp ống Chọn phương pháp xếp ống thẳng hàng và bố trí theo dạng lục giác đều, từ đó với 91 ống, ta có n = 3a (a-1) + 1 = 91, suy ra a = 6.
Số ống trên đường chéo của đường 6 cạnh: b = 2a – 1 = 11 ống
Vậy: Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống gồm n = 91 (ống), dài
Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,4.dng = 1,4.0,025 = 0,035 (m).
6.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm hiệu quả với ống lồng ống truyền nhiệt Ống truyền nhiệt được chế tạo từ thép X18H10T, với kích thước ống trong là 38×3 mm và kích thước ống ngoài là 57×3 mm.
Chọn nước làm lạnh đi trong ống 38×3 (ống trong) nhiệt độ vào t1 = 30℃ và nhiệt độ cuối là t 2 = 40℃. Đường kính ngoài d n = 38 mm = 0,038 m
Bề dày ống δ t = 3 mm = 0,003 m Đường kính trong dtr = 32 mm = 0,032 m
Với t tbN = 35℃ tra cứu các thông số [1]
Khối lượng riêng N = 993,5 kg/m3 (bảng I.2/9). Độ nhớt của nước μ N = 0,000722 N.s/m 2 (bảng I.101 trang 92).
Hệ số dẫn nhiệt λN = 0,626 W/m.K (bảng I.129 trang 133).
Nhiệt dung riêng C N = 4,178 kJ/kg.K (bảng I.153 trang 172).
Sản phẩm đỉnh đi trong ống 57x3 (ống ngoài) nhiệt độ đầu tD = 57,5℃ và nhiệt độ cuối ta chọn t D ra = 40℃ Đường kính ngoài D n = 57 mm = 0,057 m
Bề dày ống δ t = 3 mm = 0,003 m Đường kính trong Dtr = 51 mm = 0,051 m
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh ttbD: t tbD +
Với t tbD = 48,75°C tra cứu các thông số sau [1]
Bảng 6.2 Thông số của hệ ở ttbD = 48,75°C
Thông số Khối lượng Độ nhớt (N.s/m 2 )
Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt dung riêng
Theo chương 3 cân bằng nhiệt lượng
Ta có nhiệt lượng cần để làm nguội sản phẩm đỉnh: QD = 37894,3 (kJ/h)
6.1.2.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt (trang 169) [6]: F = Q D m 2 Với: tb K∆t log
∆ : Nhiệt độ trung bình logarit.
Xác định ∆ Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
Xác định hệ số truyền nhiệt K: K 1
1 +∑ r t + 1 a N a D aN: Hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh (W/m 2 K) a nt : Hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ (W/m 2 K)
∑ : Nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn
Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài
Vận tốc sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài:
2 ) 3600.784,505.π (0,051 2 − 0,038 2 ) Đường kính tương đương dtd = Dtr – dn =0,051 – 0,038 = 0,013(m)
Ta thấy R eD >10000: cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối
Chuẩn số Nu: Nu D = 0,021.ε Re PrD D ( )(V.40 trang 14)[2] Trong đó:
1: Hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỉ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống khi Re > 10000, tương ứng với 1 = 1. o μ C 0,252.10 2393,24
Pr W1 – chuẩn số Prandlt của sảm phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình vách.
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài: α D = NuD.λD
Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh: q = α D (t tbD − t W1 ) = 1328,97 (48,75 − t W1 ) (W/m 2 ).
Trong đó: tw1: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh ( o C)
Nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn: q t = t W1 - t W2 W/m 2
Trong đó: t w2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ) o C. δ t
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: (bảng XII.7/313 [2]) λt = 16,3 W/m.độ
Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống: (bảng 31/419 [3]) r c = 5000 1 m 2 K/W
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ Vận tốc của nước trong ống:
Chuẩn số Reynolds: Re N = V N ρ N d tr = 0,315.993,5.0,032 = 13314,55 μ N 0,000722
Ta thấy R eN >10000: Chế độ chảy rối.
Chuẩn số Nu: Nu N = 0,021.ε 1 Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr N ) 0,25 (V.40 trang 14)[2] Trong đó:
1: Hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỉ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống khi Re > 10000, tương ứng với 1 = 1.
PrN: Chuẩn số Prandlt của nước ở 35 o C, ta có PrN = 4,9 (bảng I.249/310 [1])
PrW2 – chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách.
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N =
Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N = α N (t W2 − t tbN ) = 2494,58 0,25 (t W2 − 35) W/m 2
Tra cứu các thông số sau tại tw1 = 41,5 o C ở [1]:
Bảng 6.3 Thông số của hệ ở tw1 = 41,5 o C
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể q t = q D = 6985,02 W/m 2
Vậy hệ số truyền nhiệt: K
6.1.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị
Bề mặt truyền nhiệt trung bình (Theo ([8]) trang 169)
Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%):
Kiểm tra điều kiện ([8], trang 176)
Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 60 m, chia thành 30 dãy, mỗi dãy dài 2 m.
6.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu được chọn là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, với ống truyền nhiệt được chế tạo từ thép X18H10T Kích thước ống trong là 38x3 mm và kích thước ống ngoài là 57x3 mm.
Chọn hơi đốt là hơi nước đi trong ống 57x3 (ống ngoài). Đường kính ngoài D n = 57 mm = 0,057 m
Bề dày ống δ t = 3 mm = 0,003 m Đường kính trong Dtr = 51 mm = 0,051 m
Hơi đốt được chọn là hơi nước 2 at, lưu thông trong ống có kích thước 57x3 mm Theo tài liệu tham khảo, nhiệt độ sôi của hơi nước là 119,6 °C, và ẩn nhiệt ngưng tụ của nó là 2208 kJ/kg.
Dòng nhập liệu đi trong ống 38x3 (ống trong) nhiệt độ đầu t ' F 64,5℃ Đường kính ngoài d n = 38 mm = 0,038 m
Bề dày ống δt = 3 mm = 0,003 m Đường kính trong d tr = 32 mm = 0,032 m
= 30℃ và nhiệt độ cuối t F Bảng 6.4 Thông số của hệ ở t tbF = 47,3°C
Thông số Khối lượng Độ nhớt (N.s/m 2 )
Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt dung riêng
6.1.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt ([8], trang 169)
Với: K – hệ số truyền nhiệt Δt log – nhiệt độ trung bình logarit
Xác định nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, theo công thức ([8], trang 169) t log ( − ′ )−( − )
Xác định hệ số truyền nhiệt
Trong đó: α F – hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu, W/(m 2 K)
71 α N – hệ số cấp nhiệt của hơi nước, W/(m 2 K) Σrt – nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn
Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống nhỏ
Ta thấy Re F > 10000: cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối
Chuẩn số Nu (công thức V.40/14 [2])
Trong đó: εl – hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc theo tỷ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống khi Re F > 10000 Chọn ε l = 1
Pr F – chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở ℃
Pr W2 – chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở nhiệt độ trung bình vách
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu α F = = 317,761.0,346 = 3437,77
Nhiệt tải phía dòng nhập liệu q F = α F (t W2 – t tbF ) = 3437,77 0,25 (t W2 – 47,3) W/m 2 )
Với t W2 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ), ℃
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn q t = 1 − 2
Trong đó: t W1 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngoài ống nhỏ), °C Σr t = +
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: (bảng XII.7/313 [3]) λ t = 16,3 W/(m.độ)
Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống: (bảng 31/419 [5]) r c 1 m 2 K/W
Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống Đường kính tương đương d td = D tr – d n = 0,051 – 0,038 = 0,013 (m)
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống ([3], trang 120, công thức 3.66) α N = 0,725 ( ) 0,25 = 0,725 (
Nhiệt tải phía hơi nước q N = α N (t sN – t W1 ) = 82,77.A x (119,6 – t w1 ) 0,75
Khi đó nhiệt độ trung bình t tb = 110+119,6 = 114,8°C
Với ttb = 115,225°C tra (trang 120 [3]) được A = 185,66
Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể qt = qN = 83805,73 W/m 2 q = 1 − 2 t 0,384 10 −3
Bảng 6.5.Thông số sau tại ttbW = 93,91℃
Vậy hệ số truyền nhiệt
6.1.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị
Bề mặt truyền nhiệt trung bình (Theo ([8]) trang 169)
Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%):
Kiểm tra điều kiện ([8], trang 176)
Vậy thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 16 m, chia thành dãy 8, mỗi dãy dài 2 m.
6.1.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt được làm bằng thép
Chọn hơi đốt là hơi nước đi trong ống 25x2 Đường kính ngoài dn = 25 mm = 0,025 m
Bề dày ống δt = 2 mm = 0,002 m Đường kính trong d tr = 21 mm = 0,021 m
Tra cứu các thông số sau ([1], trang 312)
Nhiệt độ sôi tsN = 119,6℃ Ẩn nhiệt ngưng tụ r N = 2208 kJ⁄kg
Sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun có nhiệt độ t ' 1 = 91,82℃ (do x ' 1 = 0,0185) (Tra bảng thành phần cân bằng lỏng hơi hệ acetone – nước).
Sản phẩm ra khỏi nồi đun có nhiệt độ t W = 97,79℃
Theo chương 3 cân bằng nhiệt lượng, ta có:
Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho đáy tháp
Suất lượng hơi nước cần dùng
6.1.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt ([8], trang 169)
Với: K – hệ số truyền nhiệt Δtlog – nhiệt độ trung bình logarit
Xác định nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, theo công thức ([8], trang 169) tlog ( − 1 ′ )−( − )
Xác định hệ số truyền nhiệt
Trong đó: α N – hệ số cấp nhiệt của hơi nước, W/(m 2 K) α W – hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy, W/(m 2 K) Σr t – nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (công thức 3.65/120 [3])
ρ N 2 α N = 0,725 × √ μ N (t sN −t w1 ).d tr (5.1) t W1 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (trong ống), °C
Nhiệt tải phía hơi nước qN = αN (tsN – tW1) (5.2)
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn q t = 1 − 2
Trong đó: t W2 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống), °C Σr t = +
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: ([2], trang 313, bảng XII.7) λ t = 16,3 W/(m.độ)
Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống: ([3], trang 419, bảng 31) r c 1 m 2 K/W
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (chế độ sôi sủi bọt) (công thức V.89/26 [2]) α W = 7,77 × 10 −2
Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm ở ngoài ống ts + 1 ′
Tại nhiệt độ sôi trung bình thì:
Khối lượng riêng của pha hơi trong dòng sản phẩm ở ngoài ống ρ h = kg/m 3
Trong đó: MHW = MtbG’ = 18,74 (kg/mol)
Tra cứu các thông số sau tại t s = 94,81℃ [1]
Bảng 6.6.Thông số của hệ tại ts = 94,81℃ [1]
Hệ số dẫn Nhiệt Sức căng Nhiệt hoá riêng (N.s/m 2 ) nhiệt dung bề mặt hơi
Khi đó nhiệt độ trung bình t tb = + 1 = 119,6+118,8
Tại nhiệt độ này (tra bảng I.149/311, [1]):
Khối lượng riêng của nước: ρ N = 943,732 (kg/m 3 ) Độ nhớt của nước: N = 2,39.10 -4 N.s/m 2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,686 W/mK
Nhiệt hóa hơi của nước (tra bảng I.250/312, [1]):rN = 2208,12 (kJ/kg)
Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể q t = q N = 2056,72 W/m 2 q = 1 − 2 t 0,323 10 −3
Từ (5.3), với q= qt = qN = 2056,72 W/m 2 suy ra: α W = 635,24 (W/m 2 K) q W = α W (t w2 − t ) = 635,24 (118,136 − 94,81) = 2005,96 (W/m 2 )
Kiểm tra sai số ε = | − | = |2056,72−2005,96 | = 2,53%< 5% → Thỏa mãn điều kiện
Vậy hệ số truyền nhiệt
6.1.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị
Bề mặt truyền nhiệt trung bình (Theo ([8]) trang 169)
Chọn số ống truyền nhiệt ntn = 61 ống
Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%):
2 2 Ống được bố trí theo hình lục giác đều ([2], trang 48, công thức V.139)
Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng n tn = 3a(a – 1) + 1 ↔ 61 = 3a(a – 1) + 1 → a = 5 (ống)
Số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh đều b = 2a - 1 = 2 5 - 1 = 9 (ống)
Chọn bước ống: t = 1,2d n = 1,2 0,025 = 0,03 (m) Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt ([2], trang 49, công thức V.140)
Vậy: Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với số ống n a, chiều dài ống truyền nhiệt L = 7(m).
Bồn cao vị
6.2.1 Tổn thất đường ống dẫn
Chọn ống dẫn có đường kính trong là dtr = 50 (mm)
Tra bảng II.15, trang 381, [1] Độ nhám của ống: = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít)
Tổn thất đường ống dẫn:
1 : hệ số ma sát trong đường ống. l 1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l 1 = 30(m). d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,05(m).
1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ. v F : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
Các tính chất lí học của dòng nhập liệu được tra ở nhiệt độ trung bình.
Bảng 6.7 Thông số của hệ ở t tbF = 47,25°C
Thông số Khối lượng riêng Độ nhớt (N.s/m 2 )
Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:
Xác định hệ số ma sát trong đường ống
Chuẩn số Reynolds tới hạn ([1], trang 378, công thức II.60):
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám([1], trang 379, công thức II.62)
Ta thấy Re gh < Re F < Re n khu vực quá độ - là khu vực nằm giữa khu vực nhẵn thủy lực và khu vực nhám.
Hệ số ma sát của khu vực chảy quá độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và độ nhám của thành ống.
Hệ số ma sát được xác định theo công thức ([1], trang 380, công thức II.64) λ 1 = 0,1 × (1,46 × +
Xác định tổng hệ số trở lực cục bộ
Chỗ uốn cong ([1], trang 393, bảng II.16) Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn θ = 90° (tương ứng A = 1,0), bán kính R sao cho:
= 2 (tương ứng B = 0,15); tỷ lệ = 1 (tương ứng C =1,0)
Ta được: ξ = ABC = 1,0 x 0,15 x 1,0 = 0,15 Đường ống có 6 chỗ uốn u1 = 0,15 6 = 0,9
Van ([1], trong 397, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn.
Khi mở hoàn toàn, giá trị ξ tương ứng với tốc độ trong ống xác định theo bảng N o 37.
Với đường kính ống d 1 = 100 mm ta có ξ = 4,10. Đường ống có 2 van nên ξv1 = 4,10 × 2 = 8,20
Lưu lượng kế: ξ ll = 0 (coi như không đáng kể)
Tổn thất đường ống dẫn h (
6.3.2 Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu Chọn đường kính ống dẫn từ bồn cao vị qua thiết bị đun sôi nhập liệu là d 2 d tr(nl) = 32 mm.
Chọn ống nguyên, ăn mòn ít, tra bảng ([1], trang 381, bảng II.15) ta có độ nhám của ống là ε = 0,2 mm.
Chiều dài đường ống dẫn l 2 = 15 m.
Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn :
Xác định hệ số ma sát trong đường ống λ
Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu trong ống dẫn
Chuẩn số Reynolds tới hạn ([1], trang 378, công thức II.60)
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám([1], trang 379, công thức II.62)
Ta thấy Re gh < Re F < Re n khu vực quá độ - là khu vực nằm giữa khu vực nhẵn thủy lực và khu vực nhám.
Hệ số ma sát của khu vực chảy quá độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và độ nhám của thành ống.
Hệ số ma sát được xác định theo công thức ([2], trang 380, công thức II.64) λ 2 = 0,1 × (1,46 × +
Xác định tổng hệ số trở lực cục bộ
Chỗ uốn cong ([1], trang 393, bảng II.16) Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn θ = 90° (tương ứng A = 1,0), bán kính R sao cho:
= 2 (tương ứng B = 0,15); tỷ lệ = 1 (tương ứng C =1,0)
Ta được: ξ = ABC = 1,0 x 0,15 x 1,0 = 0,15 Đường ống có tổng cộng 3 vị trí uốn nên ξ u1 = 0,15 × 3 = 0,45
Van ([1], trang 397, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn.
Khi mở hoàn toàn, giá trị ξ tương ứng với tốc độ trong ống xác định theo bảng
N o 37 Với đường kính ống d 2 = 32mm ta có ξ = 6,14 Đường ống có 1 van nên ξ v1 1 x 4,060 = 4,060 Đột thu ([1], trang 388, bảng II.16)
Có 1 chỗ đột thu nên ξ t2 = 0,122 Đột mở ([1], trang 387, bảng II.16)
Có 1 chỗ đột mở nên ξm2 = 0,026
Tổn thất đường ống dẫn h 2 = (
6.3.3 Chiều cao bồn cao vị
Gọi mặt cắt (1 - 1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị, mặt cắt (2 - 2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu.
Phương trình Bernoulli cho 2 mặt cắt
Trong bài viết này, z1 đại diện cho độ cao mặt thoáng (1 - 1) so với mặt đất, tương đương với chiều cao đặt bồn tại vị trí H cv = z1 Còn z2 là độ cao mặt thoáng (2 - 2) so với mặt đất, được xem như chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu.
2 =hchân đỡ + hđáy + (Nchưng+1).( hmâm + mâm)= 0,24 + 0,225 + 6.( 0,3+ 0,003) = 2,3 (m)
P 1 – áp suất tại mặt thoáng (1 - 1)
P 2 – áp suất tại mặt thoáng (2 - 2)
V 1 – vận tốc tại mặt thoáng (1 - 1), xem V 1 = 0 ( m/s )
V2 – vận tốc tại vị trí nhập liệu, V2 = VF1 = 0,081 ( m/s ) Σh f1-2 – tổng tổn thất trong ống từ (1 - 1) đến (2 - 2)
Vậy: Chiều cao bồn cao vị
2 9,81 Để đảm bảo thế năng cho hệ thống chọn Hcv = 4 (m)