Đồ án QTTB Thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đỉnh trong hệ thống chưng cất ethanol nước

Đề tài em đảm nhiệm trong Đồ án Quá trình và Thiết bị: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường với năng

i

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp hiện nay, đặc biệt là ngành công nghiệp hóa chất, một trong những ngành quan trọng

để phát triển sản xuất trong giai đoạn công nghiệp hóa, dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng về số lượng cũng như chất lượng của hóa chất, đặc biệt trên khía cạnh các sản phẩm hiện nay đòi hỏi chất lượng sản phẩm phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn khắt khe

cả trong và ngoài nước, chính vì thế trong các quá trình tổng hợp các sản phẩm hữu

cơ, hóa dược, nhiên liệu, Độ tinh khiết của sản phẩm đóng vai trò hết sức quan trọng, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết cho hóa chất như trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu,… ngày càng được cải tiến hiện đại đóng vai trò nền móng quan trọng cho ngành công nghiệp hóa chất hiện nay Tuy nhiên, phụ thuộc yêu cầu đặc tính của từng sản phẩm mà ta chọn lựa các phương pháp và quy trình thích hợp Đối với hệ Ethanol – H2O, hệ hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt độ sôi khác nhau nên ở đây ta lựa chọn phương pháp chưng cất để tách các cấu tử trong hỗn hợp nhằm thu được Ethanol

có độ tinh khiết cao

Đồ án Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp tất cả kiến thức trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa học nhằm củng cố và nắm vững kiến thức

đã học, thúc đẩy niềm say mê, tìm tòi và rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề Đồng thời tiếp cần với quy trình thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình và các thiết bị với những yêu cầu cụ thể Những thách thức và cũng là cơ hội để sinh viên có thể tìm hiểu, vận dụng những công nghệ mới nhất của ngành kỹ thuật hóa học nhằm giải quyết và xử lý các yêu cầu được đặt ra cho một kỹ sư

Đề tài em đảm nhiệm trong Đồ án Quá trình và Thiết bị: Thiết kế thiết bị ngưng

tụ trong hệ thống mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước

ở áp suất thường với năng suất sản phẩm đỉnh 1000 kg/h, nhập liệu nồng độ rượu 25% mol Ethanol, nồng độ sản phẩm đỉnh 85% mol Ethanol và tỷ lệ thu hồi rượu đạt 99%

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Vũ Bá Minh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giải đáp những thắc mắc của em, và các bạn đã góp ý để em có thể hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những sai sót do thiếu sót về kiến thức còn hạn hẹp, em mong nhận được ý kiến đóng góp từ quý thầy cô và các bạn

ii

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

DANH MỤC HÌNH iv

1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu 1

1.1.1 Ethanol 1

1.1.2 Nước 2

1.1.3 Hệ Ethanol – H2O 3

1.2 Quá trình chưng cất 3

1.2.1 Khái niệm 3

1.2.2 Các phương pháp chưng cất 4

1.2.3 Các thiết bị chưng cất 4

1.3 Lựa chọn quá trình chưng cất 5

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (Bản vẽ đính kèm) 5

1.3.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ 5

2 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7

2.1 Dữ kiện đề bài 7

2.2 Các ký hiệu 7

2.3 Tính toán cân bằng vật chất 7

3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 13

3.1 Cân bằng nhiệt lượng lượng cho tháp chưng cất 13

3.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 14

3.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 15

3.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 15

4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH – THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 17

4.1 Tính kích thước thiết bị 17

4.2 Tính cơ khí 21

iii

4.2.1 Bề dày thân 21

4.2.2 Tính chọn bề dày đáy và nắp: 23

4.2.3 Bích ghép thân và nắp: 23

4.2.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 25

4.2.5 Tính vỉ ống 27

4.2.6 Chân đỡ 28

4.2.7 Tính trọng lượng toàn thiết bị 28

5 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 30

5.1 Tháp chưng cất 30

5.1.1 Tính đường kính tháp 30

5.1.2 Tính chiều cao tháp 34

5.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 34

5.3 Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 39

5.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp 44

5.5 Bồn cao vị 48

5.5.1 Tổn thất đường ống dẫn 48

5.5.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 49

5.5.3 Chiều cao bồn cao vị 50

5.6 Bơm 51

5.6.1 Tổng trở lực trong ống hút và đẩy 51

5.6.2 Chọn bơm 52

6 GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 54

7 KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

iv

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của Ethanol 1

Hình 1.2 Đồ thị cân bằng x – y của hệ Ethanol – Nước 3

Hình 2.1 Đồ thị mâm lý thuyết 10

Hình 2.2 Đồ thị số mâm lý thuyết phóng to ở phần cất 10

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng I.1 Cân bằng lỏng – hơi cho hệ Ethanol – H2O 3

Bảng I.2 So sánh các loại tháp trong chưng cất 5 Bảng II.1 Phân mol và phân khối lượng các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và

sản phẩm đáy trong tháp chưng cất 8

Bảng III.1 Tóm tắt năng lượng thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 15 Bảng IV.1 Thông số bích ghép thân và nắp 15

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của Ethanol

Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng,

vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt

độ 78,39 oC), hoá rắn -114,15 oC, tan trong nước vô hạn, hút ẩm, dễ cháy

b) Tính chất hóa học

Ethanol có các tính chất hóa học của một ancol đơn chức

Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ Ví dụ:

2C2H5OH + 2Na →2C2H5ONa + H2

Phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là H2SO4 đặc nóng tạo ra este Ví dụ:

C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trường H2SO4 đặc ở 170oC:

2

C2H5OH →C2H4 + H2O Tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether:

C2H5OH + C2H5OH → C2H5-O-C2H5 + H2O Phản ứng oxi hóa

CH2=CH2 + H2O → C2H5OH Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: Khi một số loại men rượu chuyển hóa đường trong điều kiện yếm khí thành ethanol và carbon dioxide:

Dung dịch ethanol từ 60 – 70% còn được sử dụng làm dung dịch khử trùng do

có khả năng làm biến tính protein và hòa tan lipit của vi khuẩn

Ethanol còn là nguyên liệu để sản xuất ra nhiều hợp chất khác trong công nghiệp như: ethyl esters, acetic acid, ethylamine, …

1.1.2 Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hydro, có công thức hóa học là H2O Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hydro và tính bất

4

tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu

tử khác nhau)

1.2.2 Các phương pháp chưng cất

- Phân loại theo áp suất làm việc: áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao

- Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất đa cấu tử

- Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp và gián tiếp

1.2.3 Các thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia

a) Tháp mâm: Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các

mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc nhau Quá trình chung cả tháp được xem như tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi mâm

hai pha tiếp xúc giao dòng

b) Tháp chêm: Tháp chêm là một tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau

bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Vật chêm sử dụng gồm nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại sau: vòng Raschig, vật chêm hình yên ngựa, vật chêm vòng xoắn,… Yêu cầu chung của các loại vật chêm là phải có diện tích bề mặt riêng lớn,

độ rỗng lớn để giảm trở lực pha khí Vật liệu chế tạo vật chêm phải có khối lượng riêng nhỏ và bền hóa học

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

5

Bảng I.1 So sánh các loại tháp trong chưng cất

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

- Hiệu suất khá cao

1.3 Lựa chọn quá trình chưng cất

Ethanol tan hoàn toàn trong nước, tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 78,2 oC với phần mol của Ethanol là 0,894 Ở áp suất khí quyển, ethanol sôi ở 78,4 oC trong khi nhiệt độ sôi của nước là 100oC Đề bài yêu cầu chưng cất với nồng độ sản phẩm đỉnh

là 90% (khoảng 0,78 phần mol ethanol) nên chưa đến điểm đẳng phí Để đạt được yêu cầu của đề bài, ta sẽ tiến hành chưng cất liên tục hệ hai cấu tử Ethanol – nước bằng tháp chưng cất mâm chóp, gia nhiệt gián tiếp

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (Bản vẽ đính kèm)

1.3.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ

Nguyên liệu của quá trình là dung dịch ethanol – nước với nồng độ theo phần mol của ethanol là 25% mol, được chứa trong bồn chứa nguyên liệu (1) ở nhiệt độ

lỏng ở bồn cao vị được khống chế nhờ vào ống chảy tràn Dòng nhập liệu tiếp tục được điều chỉnh lưu lượng nhờ lưu lượng kế (4) và được đưa vào thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5) Tại đây, dòng nhập liệu được gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu là khoảng

nhập liệu được đưa vào tháp chưng cất (8) ở mâm nhập liệu

Tháp chưng cất gồm 2 phần: phần trên mâm nhập liệu là phần cất, còn từ mâm nhập liệu trở xuống là phần chưng Ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên Hơi bốc từ các mâm dưới lên qua các lỗ chóp mâm trên và

6

tiếp xúc với pha lỏng của mâm trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ ethanol (cấu

tử dễ bay hơi) trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao của tháp Vì nồng độ ethanol trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng Ethanol có nhiệt độ sôi thấp hơn nước nên khi nồng độ của nó tăng nên thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ ethanol (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ của nước (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần và nhiệt độ giảm dần Cuối cùng ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là ethanol còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có nước chiếm tỉ lệ lớn

Để duy trì pha lỏng trong các mâm trong phần cất và giúp cho dòng sản phẩm đỉnh được tinh khiết hơn, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn (9), đi qua bồn phân phối dòng (10) và được chia thành hai dòng Một dòng được hồi lưu trở lại mâm cất trên cùng để duy trì pha lỏng trong các mâm ở phần cất, dòng còn lại được đưa

phẩm đỉnh (15) Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần được đun sôi bằng nồi đun đáy tháp (12) và hồi lưu vào đáy tháp, phần chất lỏng còn lại được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13) Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng – bẫy hơi (6)

Trong quá trình vận hành, cần kiểm tra nhiệt độ của dòng nhập liệu trước khi cho vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ dòng hoàn lưu đáy tháp, áp suất đáy tháp bằng nhiệt kế (7) và áp kế (11) để đảm bảo tháp chưng cất hoạt động ổn định

- Tỷ lệ thu hồi rượu: η =99%

- Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR =46, MN =18

- Khối lượng riêng của rượu và nước ở nhiệt độ đỉnh t’D= 78,5oC:

•ρR = 0,735 kg/l

• ρN= 0,972 kg/l

- Chọn:

• Nhiệt độ nhập liệu: t’F = 30oC

• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D = 40oC

• Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 45oC

• Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

- Lo =: Lượng dòng hoàn lưu (kmol/h)

- x: Nồng độ phần mol của ethanol trong pha lỏng, kmol ethanol/kmol hỗn hợp

- 𝑥𝑥̅: Nồng độ phần khối lượng của ethanol trong pha lỏng, kg ethanol/kg hỗn hợp

- ρ: Khối lượng riêng (kg/m3)

- Các chỉ số F, D, W tương ứng chỉ các đại lượng thuộc về dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh, dòng sản phẩm đáy

2.3 Tính toán cân bằng vật chất

a) Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

- Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (II.1)

8

- Cân bằng cấu tử ethanol: F.xF = D.xD + W.xW (II.2)

- Tỷ lệ thu hồi (η =99%): F.xF η = D.xD (II.3)

- Chuyển đổi phẩn mol về phần khối lượng

𝑥𝑥̅ = 𝑥𝑥 × 𝑀𝑀 𝑥𝑥 × 𝑀𝑀𝑅𝑅

𝑅𝑅 + (1 − 𝑥𝑥) × 𝑀𝑀𝑁𝑁Suy ra 𝑥𝑥̅𝐹𝐹 = 0.46 và 𝑥𝑥̅𝐷𝐷 = 0.9354

Từ (II.1), (II.2), (II.3)

Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết

là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí vận hành (nhiên liệu, nước giải nhiệt,…) là tối thiểu

Do đồ thị cân bằng của hệ Ethanol – Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách:

Chỉ số hoàn lưu thích hợp: Vấn đề chọn chỉ số hoàn lưu rất quan trọng, vì khi

chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn ít năng lượng, ngược lại khi chỉ

số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp ít hơn nhưng tiêu tốn năng lượng lại nhiều hơn

Ở đây, trong tính toán công nghiệp để tính gần đúng ta có thể lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng công thức:

Số mâm lý thuyết:

Để xác định số mâm lý thuyết ta phải xác định ba đường gồm:

Vẽ đường làm việc phần cất theo phương trình:

𝑦𝑦 = 0,748𝑥𝑥 + 0,214

Vẽ đường nhập liệu: 𝑥𝑥 = 0.25

Vẽ đường làm việc phần chưng theo phương trình:

𝑦𝑦 = 1,6126x − 0,002160

10

Hình 2.1 Đồ thị mâm lý thuyết

Hình 2.2 Đồ thị số mâm lý thuyết phóng to ở phần cất

Vậy tổng số mâm lý thuyết: 28 mâm (27 mâm + 1 nồi đun)

Trong đó bao gồm: 6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun), 1 mâm nhập liệu, 22 mâm cất Vị trí mâm nhập liệu: 5

Số bậc Đường nhập liệu

F (0.25;0.40)

D (0.85;085 )

11

Số mâm lý thuyết: Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại

trừ các ảnh hưởng của thiết kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình:

𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡 =𝜂𝜂𝑁𝑁𝑙𝑙𝑡𝑡

𝑡𝑡𝑡𝑡Trong đó: 𝜂𝜂𝑡𝑡𝑡𝑡 là hiệu suất trung bình của mâm, là một hàm số của độ bay hơi

tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: 𝜂𝜂 = f (α,µ)

𝑦𝑦∗: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Tại vị trí mâm đáy:

𝑥𝑥𝑊𝑊 = 0,003527, ta tra đồ thị cân bằng của hệ: 𝑦𝑦∗

Cân bằng vật chất cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu:

𝐺𝐺𝑙𝑙 = 𝐿𝐿𝑜𝑜+ 𝐷𝐷 = (𝑅𝑅 + 1) 𝐷𝐷 Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:

3.1 Cân bằng nhiệt lượng lượng cho tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp 𝑄𝑄𝐷𝐷1:

𝑄𝑄𝐷𝐷1 = 𝐷𝐷1 𝜆𝜆ℎ = 𝐷𝐷1 (𝑟𝑟ℎơ𝑚𝑚 + 𝐶𝐶ℎơ𝑚𝑚 𝑡𝑡ℎơ𝑚𝑚) (IX.156/197, [8])

Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào 𝑄𝑄𝑅𝑅:

14

𝑄𝑄𝑤𝑤 = 𝐺𝐺𝑤𝑤 𝐶𝐶𝑤𝑤 𝑡𝑡𝑤𝑤 (IX.160/197, [8])

𝐺𝐺𝑤𝑤: 1054,03 (kg/h), 𝑡𝑡𝑤𝑤: 98,9oC

riêng của nước ở 100oC, 𝐶𝐶𝑤𝑤 = 4218,75 (J/kg.độ)

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥1: Lấy 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥1 = 5%𝐷𝐷1𝑟𝑟ℎơ𝑚𝑚

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑛𝑛1(J/h)

𝑄𝑄𝑚𝑚𝑛𝑛1 = 𝐷𝐷1 𝐶𝐶ℎơ𝑚𝑚 𝑡𝑡ℎơ𝑚𝑚 (IX.160/197, [8])

Vậy lương hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp:

𝐷𝐷1 =𝑄𝑄𝑌𝑌 + 𝑄𝑄0,95𝑟𝑟𝑊𝑊 − 𝑄𝑄𝐹𝐹 − 𝑄𝑄𝑅𝑅

rhơi của hơi bão hòa 2.5 at = 2189,5 (kJ/kg)

Bảng III.1: Tóm tắt năng lượng thiết bị đun nóng dòng nhập liệu

3.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Phương trình cân bằng năng lượng

𝐺𝐺𝐷𝐷 𝑟𝑟𝐷𝐷 (𝑅𝑅 + 1) = 𝐺𝐺𝑚𝑚1 𝐶𝐶𝑚𝑚 (𝑡𝑡2− 𝑡𝑡1) Chọn nhiệt độ vào của nước 𝑡𝑡1 =30oC, nhiệt độ đầu ra của nước là 𝑡𝑡2= 50oC Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 40oC Cn= 4181,11 (J/kg.độ)

Ẩn nhiệt hóa hơi tại 𝑡𝑡𝐷𝐷 = 78,5oC: 𝑟𝑟𝑚𝑚ướ𝑐𝑐 = 2385,32 (kJ/kg); 𝑟𝑟𝑒𝑒𝑡𝑡ℎ𝑎𝑎𝑚𝑚𝑜𝑜𝑙𝑙 = 852,56 (kJ/kg)

Với 𝑥𝑥��� = 0,935 => 𝑟𝑟𝐷𝐷 𝐷𝐷= 952,19 (kJ/kg)

3.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng

𝐺𝐺𝐷𝐷 𝐶𝐶𝐷𝐷 (𝑡𝑡𝐷𝐷− 𝑡𝑡𝑟𝑟𝑎𝑎) = 𝐺𝐺𝑚𝑚2 𝐶𝐶𝑚𝑚 (𝑡𝑡2− 𝑡𝑡1) (IX.167/198, [8])

Nhiệt độ vào và ra của sản phẩm đỉnh: 𝑡𝑡𝐷𝐷= 78,5oC, 𝑡𝑡𝑟𝑟𝑎𝑎 = 45oC

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: (78,5 + 45)/2= 61,75oC

Nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh ở 61,75oC: 𝐶𝐶𝐷𝐷 = 2684 (J/kg.oC)

Nhiệt độ vào và ra của nước: 𝑡𝑡1 =30oC; 𝑡𝑡2 = 40oC

→ Nhiệt độ trung bình: 35oC

Nhiệt dung riêng của nước ở 35oC: Cn= 4181,11 (J/kg.độ)

Lượng nước lạnh tiêu tốn

𝐺𝐺𝑚𝑚2 =𝐺𝐺𝐷𝐷𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐷𝐷 (𝑡𝑡𝐷𝐷− 𝑡𝑡𝑟𝑟𝑎𝑎)

𝑚𝑚 (𝑡𝑡2− 𝑡𝑡1) = 2150,48 �

𝑘𝑘𝑘𝑘

ℎ �

3.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu

Phương trình cân bằng năng lượng

𝑄𝑄𝐷𝐷2 + 𝑄𝑄𝑓𝑓 = 𝑄𝑄𝐹𝐹 + 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑛𝑛2 + 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥2 (IX.149/196, [8])

𝑄𝑄𝐷𝐷2: Nhiệt lượng dòng hơi đốt mang vào (J/h)

𝑄𝑄𝑓𝑓: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

𝑄𝑄𝐹𝐹: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

𝑄𝑄𝑚𝑚𝑛𝑛2: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥2: Nhiệt lượng mất mát (J/h)

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 𝑄𝑄𝑓𝑓 = 𝐺𝐺𝐹𝐹 𝐶𝐶𝑓𝑓 𝑡𝑡𝑓𝑓

Nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp là 𝑡𝑡𝑓𝑓 = 30oC

4047,3 (J/kg.độ)

→ 𝑄𝑄𝑓𝑓 = 2054,03.4047,3.30 = 249,4 106 (J/h)

Nhiệt lượng do hỗn hợp mang ra: 𝑄𝑄𝐹𝐹 = 637272 (kJ/h)

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: 𝑄𝑄𝐷𝐷2 = 𝐷𝐷2 𝜆𝜆ℎơ𝑚𝑚 = 𝐷𝐷2 (𝑟𝑟ℎơ𝑚𝑚 + 𝐶𝐶ℎơ𝑚𝑚 𝑡𝑡ℎơ𝑚𝑚)

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑛𝑛2 = 𝐷𝐷2 𝐶𝐶ℎơ𝑚𝑚 𝑡𝑡ℎơ𝑚𝑚

17

4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH – THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

4.1 Tính kích thước thiết bị

Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang

Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T:

 ∝1: Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K)

 ∝2: Hệ số cấp nhiệt của nước (W/m2.K)

 ∑ 𝑟𝑟1: Nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu

Nhiệt tải quả thành ống và lớp cáu:

𝑞𝑞𝑡𝑡 =𝑡𝑡𝑣𝑣1∑ 𝑟𝑟− 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑣𝑣2

18

Trong đó:

 𝑡𝑡𝑣𝑣1: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ oC

 𝑡𝑡𝑣𝑣2: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước oC

 Nhiệt trở lớp bẩn bên ngoài ống: r1= 1/5800 (m2.K/W)

 Nhiệt trở lớp bẩn bên trong ống: r2= 1/5000 (m2.K/W)

Chuẩn số Reynolds:

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑚𝑚 =𝑣𝑣𝑚𝑚.𝑑𝑑𝜇𝜇𝑡𝑡𝑟𝑟 𝜌𝜌𝑚𝑚

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑚𝑚 = 13589,4 > 104: Chế độ chảy rối

 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑚𝑚: Hệ số Prandtl tại nhiệt độ trung bình dòng lỏng trong ống

 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑣𝑣: Hệ số Prandtl tại nhiệt độ tm

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (trong ống):

Áp dụng công thức I.561/154 [8]: Đối với ống nằm ngang hệ số cấp nhiệt của

sản phẩm đỉnh ngưng tụ ngoài ống tại nhiệt độ ngưng tụ ts= 78,5oC

• Nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh ngoài ống: 𝑟𝑟𝐷𝐷 = 952,2 (kJ/kg)

20

=(78,5 − 𝑡𝑡12018

𝑣𝑣1)0,25 (𝑚𝑚𝑊𝑊2𝐾𝐾)

trong mỗi dãy thẳng đúng là 𝜀𝜀 = 0,6

Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống

So với L= 2 (m) thì số chặng của nước là 4,722 = 2,5 ≈ 3

Khi đó số ống tăng lên 3 lần: n= 90.3= 270 (ống)

Dự trữ khoảng 27% bề mặt truyền nhiệt

Ống được xếp ở đỉnh tam giác và tạo thành một chùm dạng lục giác đều, vậy với 270 ống thì số ống xếp trên đường chéo của lục giác đều b=19

• Bề dày thân thiết bị: Vì thiết bị hoạt động ở điều kiện không có áp suất

3 mm

Tốc độ ăn mòn là 0,1 (mm/năm), thời gian sử dụng thiết bị là 10 năm

Bề dày tối thiểu: 𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 3 (𝑚𝑚𝑚𝑚) (Bảng 5.1/128 [9])

→ Bề dày S thoải điều kiện

Kiểm tra độ bền:

Điều kiện: 𝑆𝑆−𝐶𝐶𝑎𝑎

𝐷𝐷𝑡𝑡 ≤ 0,1 ↔4−3800 = 0,000125 ≤ 0,1 thỏa Nên: [𝑃𝑃] =2[𝜎𝜎]𝜑𝜑𝑛𝑛 (𝑆𝑆−𝐶𝐶 𝑎𝑎 )

𝐷𝐷𝑡𝑡+(𝑆𝑆−𝐶𝐶𝑎𝑎) =2.145.0,95.(4−3)800+(4−3) = 0,34 N/mm2 > P=0,01 thỏa

Kết luận: S=4 mm

các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị

• 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 phẳng hàn

→ Chọn bích có các thông số sau (bảng XIII.27/422 [8])

là dây amiang, có bề dày là 3(mm)

𝑄𝑄𝑡𝑡 =𝑄𝑄𝑍𝑍 =393484.520 = 19674 (𝑁𝑁) Bước bu lông: 𝑥𝑥 =𝜋𝜋.𝐷𝐷𝑏𝑏

Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông: [𝜎𝜎] = 86 𝑁𝑁/𝑚𝑚𝑚𝑚2

Đường kính chân ren của bu lông: 𝑑𝑑𝑡𝑡 = 1,13 � 𝑄𝑄𝑏𝑏

𝑘𝑘0.[𝜎𝜎]𝑏𝑏 = 19,11 𝑚𝑚𝑚𝑚 Ứng suất tác dụng lên bu lông: 𝜎𝜎 ≤ 𝑘𝑘0 [𝜎𝜎]𝑡𝑡

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:

dùng với 𝑑𝑑 ≤ 32 𝑚𝑚𝑚𝑚

Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T

Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

a) Ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ:

Nhiệt độ của nước vào thiết bị ngưng tụ là tF= 30oC

Tại nhiệt độ này: 𝜌𝜌𝑚𝑚 = 995,68 (kg/m3)

Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị