THIẾT kế hệ THỐNG THIẾT bị CHƯNG LUYỆN LIÊN tục hỗn hợp HAI cấu tử METYLIC – nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM -  - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ METYLIC – NƯỚC Sinh viên thực hiện: Vũ Anh Đức MSSV: 20180668 Lớp: KTHH.05 – K63 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền HÀ NỘI 2022 Đồ án Q Trình Thiết bị VIỆN KỸ THUẬT HỐ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH –THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ VÀ THỰC PHẨM GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440 (Dùng cho sinh viên khối cử nhân kỹ thuật/kỹ sư) Họ tên: Vũ Anh Đức Lớp: KTHH.05 MSSV: 20180668 Khóa: 63 I Đề tài thiết kế Tính tốn thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử - Hỗn hợp: Metylic-nước - Loại thiết bị: tháp chưng luyện loại đệm II Các số liệu ban đầu Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 3,5 (kg/s) Nồng độ hỗn hợp theo phần trăm khối lượng: - Hỗn hợp đầu: aF = 35 (% khối lượng) - Hỗn hợp đỉnh: aP = 98 (% khối lượng) - Hỗn hợp đáy: aW= 0,5 (% khối lượng) Tháp làm việc áp suất khí Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sôi III Nội dung phần thuyết minh tính tốn Phần mở đầu Vẽ thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) Tính tốn kỹ thuật thiết bị Tính khí thiết bị Tính chọn thiết bị phụ (lựa chọn 03 thiết bị phụ dây chuyền công nghệ) Kết luận Tài liệu tham khảo IV Các vẽ - Bản vẽ dây chuyền công nghệ: Khổ A4 - Bản vẽ lắp thiết bị chính: Khổ A1 V Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 10 tháng 10 năm 2021 VII Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 12 năm 2022 Phê duyệt Bộ môn Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Ngày tháng năm Người hướng dẫn Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền MỤC LỤC PHỤ LỤC LỜI MỞ ĐẦU I GIỚI THIỆU CHUNG Giới thiệu chung trình chưng 1.1, Giới thiệu 1.2, Chế độ làm việc tháp đệm 1.3, Ưu điểm tháp đệm 1.4, Nhược điểm tháp đệm Tổng quan hỗn hợp chưng 2.1, Rượu metylic (ancol metylic) 2.2, Nước 2.3, Hỗn hợp rượu metylic – nước 10 II SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 11 Sơ đồ cơng nghệ, thích 11 Thuyết minh dây chuyền sản xuất 13 III TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 14 Tính tốn cân vật liệu toàn tháp 14 1.1, Tính cân vật liệu 14 1.2, Xác định số bậc thay đổi nồng độ 15 1.2.1, Xác định số hồi lưu tối thiểu (Rmin) 15 1.2.2, Xác định số hồi lưu thích hợp Rth 17 1.2.3, Xác định số hồi lưu thích hợp RTH theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ 18 1.2.4, Xác định số hồi lưu thích hợp RTH theo tiêu chí thể tích VT tháp 19 Xác định số đĩa 21 2.1, Xác định số đĩa dựa vào đồ thị Mccabe - Thiesel 21 2.2, Xác định số đĩ thực tế dựa hiệu suất trung bình 23 Tính đường kính tháp 24 3.1, Thông số vật lý đoạn chưng 24 3.2, Thông số vật lý đoạn luyện 26 3.3, Xác định đường kính tháp 28 3.4, Đường kính đoạn luyện 29 3.5, Đường kính đoạn chưng 31 Tính chiều cao tháp 34 Trở lực tháp 36 Cân nhiệt lượng tháp 39 IV TÍNH TỐN CƠ KHÍ 47 Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Tính đường ống dẫn 47 Tính chiều dày thân tháp hình trụ 49 Tính nắp đáy thiết bị 53 Tra bích 55 Tính lưỡi đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối lỏng 56 Tính chân đỡ đĩa phân phối lỏng 59 V TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 60 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 60 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 65 Bơm 71 VI KẾT LUẬN CHUNG 78 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền PHỤ LỤC I Danh mục hình ảnh Hình Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ…… ………………………………………… 13 Hình Đồ thị đường cần pha lỏng – pha hỗn hợp metylic – nước………… 17 Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V=(NLT +1) – R…………………………… 21 Hình Đồ thị xác định Nltc, Nltl ……………………………………………………24 Hình Sơ đồ cân nhiệt luợng tháp chưng luyện… …………………… 41 II Danh mục bảng biểu Bảng Chú thích sơ đồ dây chuyền công nghệ…………………………………… 12 Bảng Thành phần cân lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp cấu tử Methanol – Nước…………………………………………………………………… 16 Bảng Bảng số liệu áp dụng phương trình Molokanov …………………………… 20 Bảng Loại đệm vòng Pall kim loại đổ lộn xộn……………………………… 30 Bảng Các thông số vật lý vật liệu X18H10T……………………………………… 52 Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc kĩ sư hóa học thiết kế thiết bị hay hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ sản xuất, sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhận đồ án mơn học: “Q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học” Việc thực đồ án điều có ích cho sinh viên việc bước tiếp cận với thực tiễn sau hoàn thành khối lượng kiến thức môn học Trên sở kiến thức số mơn khoa học khác có liên quan, sinh viên tự thiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn q trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu việc tra cứu, vận dụng kiến thức, quy trình tính tốn thiết kế, tự nâng cao kĩ trình bày thiết kế theo văn phịng khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Trong đồ án mơn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành hiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Rượu metylic – Nước làm việc áp suất khí Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sôi, tháp loại đệm, suất 3,5 kg/s, nồng độ hỗn hợp theo phần trăm khối lượng: hỗn hợp đầu (aF = 35%); hỗn hợp đỉnh (aP = 98%); hỗn hợp đáy (aw=0,5) Do hạn chế thời gian, chiều sâu kiến thức, hạn chế tài liệu, kinh nghiệm thực tế nhiều mặt khác nên không tránh khỏi thiếu sót q trình thiết kế Em mong nhận đóng góp ý kiến, xem xét dẫn thêm thầy, cô để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Thu Huyền hướng dẫn em hoàn thành đồ án này! Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền I GIỚI THIỆU CHUNG Giới thiệu chung trình chưng 1.1, Giới thiệu Chưng phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt, dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chúng ta thực nhiều phương pháp chưng khác chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng nước trực tiếp, chưng trích ly Ngày nay, phương pháp chưng sử dụng rộng rãi để tách hỗn hợp Ở đồ án này, ta xét chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử rượu metylic – nước; chúng sản phẩm thường thấy từ trình lên men công nghệ sinh học Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa cấu tử ta thu nhiêu cấu tử sản phẩm Để thu sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết cao ta tiến hành chung luyện nhiều lần hay gọi chưng luyện Phần đồ án trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử Rượu metylic – Nước, làm việc áp suất thường với hỗn hợp đầu vào gia nhiệt đến nhiệt độ sôi Sau trình chưng luyện, ta thu sản phẩm đỉnh cấu tử có độ bay lớn (rượu metylic) phần nhỏ cấu tử khó bay (nước) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay (nước) phần nhỏ cấu tử dễ bay (rượu metylic) 1.2, Chế độ làm việc tháp đệm Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động tháp đệm chế độ dịng, xốy hay sủi bọt Chế độ dịng, vận tốc khí cịn bé, lực hút phân tử lớn lực ì nên chuyển khối định khuếch tán phân tử Tăng dần vận tốc đến lực ì lực phân tư trình chuyển khối định không khuếch tán phân tử mà khuếch tán đối lưu Chế độ thủy động lúc chuyển sang chế độ độ Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế độ xốy q trình chuyển khối định khuếch tán đối lưu Tăng vận tốc khí đến giới hạn xảy tượng đảo pha Lúc chất lỏng chốn tồn tháp trở thành pha Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền liên tục, cịn khí phân tán vào lỏng trở thành pha phân tán, tạo bọt Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi vận tốc đảo pha (vận tốc sặc) Theo thực nghiệm trình chuyển khối chế độ sủi bọt tốt nhất, song thực tế tháp đệm làm việc vận tốc đảo pha, tăng khó đảm bảo trình ổn định Ở chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, nên gọi chế độ màng Vì vậy, thực tế tháp làm việc chế độ màng 1.3, Ưu điểm tháp đệm - Hiệu suất cao bề mặt tiếp xúc pha lớn - Cấu tạo tháp đơn giản - Trở lực tháp không lớn - Giới hạn làm việc tháp tương đối rộng 1.4, Nhược điểm tháp đệm - Khó làm ướt đệm - Tháp q cao phân phối lỏng khơng Tổng quan hỗn hợp chưng 2.1, Rượu metylic (ancol metylic) - Công thức phân tử: CH3OH - Khối lượng phân tử: 32,04 g/mol - Màu sắc: Không màu, suốt - Có mùi đặc trưng - Rất nhẹ dễ bay - Tỷ trọng (so với nước): 0,799 ÷ 0,8 - Tan vô hạn nước - Rất dễ cháy, cháy có lửa màu xanh khơng có khói - Nhiệt độ sơi: 64,7 °C - Điểm nóng chảy: -97,6 °C - Độ nhớt: 5.9×10−4 Pa s (ở 20oC) - Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3 (ở 20oC) - Dễ cháy nổ: Methanol chất dễ cháy cần bảo quản xa nguồn phát lửa, nguồn điện, ánh sáng mặt trời trực tiếp, bảo quản nơi thơng thống, tránh xa loại chất oxy hóa, đặt chặt thùng chứa không sử dụng Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị - GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Dễ gây ngộ độc: Methanol chất cực độc, với lượng nhỏ gây mù mắt, chí gây tử vong thể tiếp xúc với lượng nhiều Do tuyệt đối không uống cồn dùng cồn thay rượu uống - Tính chất hóa học: + Tác dụng với kim loại kiềm: 2CH3OH + 2Na → 2CH3ONa + H2 + Tác dụng với axit vô cơ: CH3OH + HBr → CH3Br + H2O + Tác dụng với axit vô tạo thành este CH3OH + CH3COOH ⇌ CH3COOCH3 + H2O + Tác dụng với ancol: 2CH3OH → CH3-O-CH3 + H2O + Phản ứng oxi hóa khơng hồn tồn: CH3OH + CuO → HCHO + Cu + H2O + Phản ứng đốt cháy: 2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O + Oxy hóa khơng hồn tồn tạo thành andehit formic CH3OH + O2 → HCOOH + H2O - Ứng dụng: + Dung môi Methanol nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, tạo metyl tert- butyl ete để pha vào làm tăng tỉ số octan thay cho tetraetyl chì chất gây nhiễm cho mơi trường + Methanol loại dung môi phổ biến sử dụng phịng thí nghiệm, đặc biệt dùng để chạy sắc ký lỏng, nâng cap HPLC, chaỵ phổ UV-VIS + Methanol công nghiệp dùng xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp + Ứng dụng làm pin nhiên liệu cung cấp hydrogen Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền + Sử dụng phổ biến sản xuất fomalin, andehit formic axit axetic… + Methanol có vai trị quan trọng ngành sơn, in ấn, chất chống đông lạnh, làm nhiên liệu cho bếp lị nhỏ, cung cấp nhiên liệu đơng đốt - Điều chế: + Sản xuất hóa chất methanol từ khí thiên nhiên - Các giai đoạn q trình diễn sau: + Chuyển khí thiên nhiên để sản xuất khí tổng hợp → Chuyển hóa khí tổng hợp thành methanol thơ → Chưng cất methanol thơ để tạo methanol có độ tinh khiết yêu cầu CH4 + O2 → CH3OH (xúc tác Cu nhiệt độ 20 độ C,100atm) CO + H2 → CH3OH (có xúc tác nhiệt độ) + Methanol sản phẩm phụ trình chưng cất rượu etylic Methanol phần chất lỏng ngưng tụ nấu rượu theo cách chưng cất truyền thống + Điều chế methanol từ khí hydro cacbonic CO2 + H2 → CH3OH + H2O 2.2, Nước - Công thức phân tử: H2O - Khối lượng phân tử: 18,015 g/mol - Là chất lỏng, không màu, không mùi - Một số thông số vật lý quan trọng (ở nhiệt độ 20oC): + Khối lượng riêng: 998,2 kg/m3 + Nhiệt dung riêng: 0,99947 cal/kg.độ (ở áp suất khí quyển) + Độ nhớt động lực: 1,002.103 N.s/m2 + Nhiệt lượng riêng: 839.10-2 J/kg - Trong cơng nghiệp hóa học nước dùng với nhiều mục đích khác nhau, nhà máy hóa chất thường đặt cạnh nguồn nước Có nhiều nguồn nước khác để cung cấp cho nhà máy nước trời, nước ngầm nước bề mặt Mỗi loại nước có cách xử lý khác phù hợp với trình sản Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang Đồ án Quá Trình Thiết bị => n = 10,716 0,47728 GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền = 22,453 (ống) Quy chuẩn n = 37 ống theo bảng V.11 [2 – 48] Bố trí ống xếp theo hình cạnh gồm hình Số ống đường xuyên tâm hình cạnh b = ống theo bảng V.11 [2 – 48] * Vận tốc thực chảy ống: ωt = 𝐺𝐹 𝜋 𝑛𝑡 3600.𝜌 .𝑑2 = 3.3600 𝜋 37.3600.𝜌 .𝑑2 = 0,0897m/s Theo lý thuyết ta chọn ωlt = 0,5 m/s Do lý thuyết lớn thực tế nên ta phải chia ngăn * Số ngăn: m = 𝜔𝑙𝑡 𝜔𝑡 = 0,5 0,0897 = 5,57 Ta chọn m = ngăn * Tính đường kính thiết bị: D = t(b – 1) + 4.dn [2 – 49] Trong đó: t bước ống, t = (1,2 – 2,5)dn Chọn t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 m => D = 0,057(7 – 1) + 4.0,038 = 0,494 m Quy chuẩn D = 0,6 m Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có thông số sau: F = 10,716 m2 H=4m dn = 38 mm D = 0,6 m n = 37 ống m = ngăn Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp dùng nước có nhiệt độ ban đầu 25oC để làm nguội hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ nhiệt độ tP = 65,03oC đến nhiệt độ t = 25oC Hai lưu thể ngược chiều nhau, nước làm nguội từ lên, nhận ẩn nhiệt hóa từ hỗn hợp từ xuống sản phẩm ngưng tụ thành lỏng khỏi thiết bị Nhiệm vụ ta phải tính đủ thơng số kỹ thuật cần thiết thiết bị đường kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống, … Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm kiểu đứng có thông số: Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 65 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền - Đường kính ống d = 38x2,5mm - Chiều cao ống H = m - Ống làm thép X18H10T có α = 16,3 W/m.độ * Lượng nhiệt cần thiết: ttb = tđ – Δttb Với: • Δttb: hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể • tđ; nhiệt độ sản phẩm đỉnh Ta có Δttb = ∆𝑡đ − ∆𝑡𝑐 ∆𝑡 𝑙𝑛 đ ∆𝑡𝑐 = (65,03 −25) −(65,03 − 50) 𝑙𝑛 65,03 −25 65,03 − 50 = 26,23oC ttb = tđ - Δttb = 65,03 – 26,23 = 38,8oC - Nhiệt lượng dùng để làm ngưng tụ hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: Q = GP.CP.(tc – tđ) [2 – 46] Trong đó: • GP: lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh cần làm nguội, kg/s • tc, tđ: nhiệt độ đầu cuối hỗn hợp, oC • Cp: nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu ttb, J/kg.độ • Cp = aP.CM + (1 – aP).CN Tại ttb = 38,8oC nội suy bảng I.153 [1 – 171,172] ta có: CN = 4175,3 J/kg Tại ttb = 38,8oC nội suy bảng I.154 [1 – 172] ta có: CM = 2696,2 J/kg => Cp = 0,98 2696,2 + (1 – 0,98) 4175,3 = 2784,946 J/kg.độ => Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sơi: Q = 0.596.2784,946.(65,03 – 25) = 88767.59 W *Tải nhiệt trung bình cho trình truyền nhiệt: - Các chuẩn số cần thiết: 𝑎𝑃 𝜌 𝜌𝑚 + Khối lượng riêng hỗn hợp nhiệt độ trung bình: = Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 + − 𝑎𝑃 𝜌𝑛 Trang 66 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Từ bảng I.2 [1 – 9], nội suy nhiệt độ 38,8oC ta có 𝜌𝑚 = 773,02 kg/m3 Từ bảng I.5 [1 – 11,12] nội suy nhiệt độ 38,8oC ta có 𝜌𝑛 = 992,63 kg/m3 0,98 𝜌 773,02 => = + 1−0,98 992,63 => ρ = 783,42 (kg/m3) + Tính độ nhớt dung dịch: Nội suy từ bảng I.101 [1 – 91] nhiệt độ ttb = 38,8oC ta có μrượu = 0.846.10-3 N.s/m2 Nội suy từ bảng I.102 [1– 94,95] nhiệt độ ttb = 38,8oC ta có μnước = 0.6712.10-3 N.s/m2 => Độ nhớt dung dịch: => μ𝑑𝑑 = 0,98 0,846.10−3 + = μ𝑑𝑑 1−0,98 0,6712.10−3 + Chuẩn số Reynon: Re = 𝑎𝑃 μ𝑟ươ𝑢 + − 𝑎𝑃 μ𝑛ướ𝑐 => μ𝑑𝑑 = 0,833.10-3 N.s/m2 𝜔.𝑑.𝜌 𝜇 Chọn vận tốc dung dịch ống ω = 0,5 m/s => Re = 0,5.0.033.783,42 0,833.10−3 = 15517,923 => chảy xoáy 𝜌 + Hệ số dẫn nhiệt dung dịch λ: λ = A.CP.ρ √ , W/m.độ 𝑀 Trong đó: • A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết chất lỏng Vì rượu etylic nước chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10-8 [1 – 123] • CP: nhiệt dung riêng đẳng áp chất lỏng, J/kg.độ • ρ: khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 • M: khối lượng mol tỷ lệ chất lỏng phân tử chất cho 1/16 khối lượng nguyên tử oxi, M = 42.133 g/mol 783,42 => λ = 3,58.10-8 2784,946 783,42 √ 42.133 = 0,2069 W/m.độ + Chuẩn số Pran hỗn hợp: Pr = 𝐶𝑝 𝜇 𝜆 [2 – 12] Trong đó: Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 67 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền • CP: nhiệt dung riêng đẳng áp chất lỏng, J/kg.độ • μ: độ nhớt chất lỏng • λ: hệ số dẫn nhiệt dung dịch => Pr = 2784,946.0,833.10−3 0,2069 = 11,211 + Chuẩn số Nuyxen: Nu = 0,021.Re0,8.εl.Pr0,43.( 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑡 ) [2 – 12] Trong đó: • Prt: chuẩn số Pran tính theo ttb tường • εl: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài l đường kính Ta có: Đường kính ống dn = 38 mm 𝑙 2000 𝑑 38 Chiều dài H = l = 2m => = = 52,63 Re > 104 Tra bảng V.2 [2 – 15] ta có εl = Do chênh lệch vỏ dịng lưu thể nhỏ nên ta coi ( 𝑃𝑟 0,25 ) 𝑃𝑟𝑡 => Nu = 0,021 15517,9230,8 11,2110,43 = 133.731 * Tính hệ số cấp nhiệt 𝑟 - Hệ số cấp nhiệt phía đốt α1: α1 = 2,04.A √ ∆𝑡.ℎ , w/m2.độ [2 – 28] Trong đó: • r: ẩn nhiệt ngưng tụ nước, J/kg • h=2m • A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, tm Với tm = 0,5.(t T1 + tđ) [2 – 29] o t T1 : nhiệt độ bề mặt tường, tiếp xúc với nước ngưng, OC o tđ; nhiệt độ sản phẩm đỉnh, oC Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 68 =1 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Với Δtl = tđ – t T1 hiệu số nhiệt độ tbh nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng Chọn Δtl = 3,35oC => nhiệt độ thành ống phía ngưng tụ là: t T1 = tđ - Δtl = 65,03 – 3,35 = 61,68oC Nhiệt độ màng nước ngưng tụ là: tm = 0,5.(61,68 + 65,03) = 63,355oC Với tm = 63,355oC nội suy [2 – 29] ta A = 166,7635 nội suy bảng I.251 [1 – 314] ta có r = 2316679,09 J/kg Vậy hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ là: 2316679,09 α1 = 2,04 166,7635 √ 3,35.2 = 8249,525 W/m2.độ * Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.Δtl = 8249,525 3,35 = 27635,908 W/m2 * Hiệu số nhiệt độ hai bên bề mặt thành ống: ΔTt = tT1 – tT2 = q1.Σr 𝛿 Với Σr = r1 + + r2 𝜆 [2 – 3] Trong đó: o r1, r2: nhiệt trở cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía đốt phía dung dịch, m2.độ/W o 𝛿: chiều dày thành ống, 𝛿 = 2,5.10-3 m o r1, r2 tra bảng V.I [2 – 4] ta có r1 = r2 = 0,387.10-3 m2.độ/W => Σr = 0,387.10-3 + 2,5.10−3 16,3 + 0,387.10-3 = 0,927.10-3 m2.độ/W => ΔTt = q1.Σr = 27635,908 0,927.10-3 = 12,18oC * Nhiệt độ thành ống phía dung dịch: tT2 = tT1 – ΔTt = 61,68 – 12,18 = 49,5 oC * Hiệu số nhiệt độ thành ống dung dịch: Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 69 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Δt2 = tT2 – ttb = 49,5 – 38,8 = 10,7oC * Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch α2: α2 = 𝑁𝑢.𝜆 𝑑𝑡 Trong đó: 𝜆: Hệ số dẫn nhiệt nước ttb = 38,8oC Nội suy từ bảng I.130 [1 – 135] nhiệt độ ttb = 38,8oC ta có 𝜆 = 0,6393 W/m.độ => α2 = 133,731 0,6393 0,033 = 2590,7382 W/m2.độ * Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch: q2 = α2 Δt2 = 2590,7382 10,7 = 27713,2707 W/m2 Ta có: |𝑞1 − 𝑞2 | 𝑞1 = |27635,908 − 27713,2707 | 27635,908 = 0,0028 < 5% => chọn Δtl = 3,35oC hợp lý * Nhiệt tải riêng trung bình: qtb = 𝑞1 + 𝑞2 = 27635,908 + 27713,2707 * Bề mặt truyền nhiệt: F = * Tổng số ống n: n = 𝑄 𝑞𝑡𝑏 = = 27674,5896 W/m2 88767.59 27674,5896 = 3,207 m2 𝐹 𝑓 Trong đó: f: diện tích xung quanh ống, m2 f = π.dn.h = 3,14.0,038.2 = 0,23864 m2 => n = 3,207 0,23864 = 13,44 (ống) Quy chuẩn n = 19 ống theo bảng V.11 [2 – 48] Bố trí ống xếp theo hình cạnh gồm hình Số ống đường xuyên tâm hình cạnh b = ống theo bảng V.11 [2 – 48] * Tính đường kính thiết bị: D = t(b – 1) + 4.dn [2– 49] Trong đó: t bước ống, t = (1,2 – 2,5).dn Chọn t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 m Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 70 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền => D = 0,057.(5 – 1) + 4.0,033 = 0,38 m Quy chuẩn D = 0,4 m Vậy thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh có thông số sau: F = 3,207 m2 H=2m D = 0,4 m n = 19 ống dn = 38 mm Bơm Bơm cần phải đảm bảo sau qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu lưu lượng - dịng ngun liệu vào tháp kg/s Vì ta cần xác định thông số trở lực đường ống, trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, từ xác định áp suất tồn phần công suất làm việc phù hợp Chọn bơm ly tâm làm việc áp suất thường, chọn chiều cao hút bơm to = - 20oC m từ bảng II.34 [1 – 441] Ở chiều cao bơm làm việc tuần hoàn, hạn chế tượng xâm thực * Trở lực đường ống dẫn từ bơm vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Áp suất động học: ΔPđ = - 𝜌.𝜔2 , N/m2 [II.54, – 377] Trong đó: 𝜌: khối lượng riêng dung dịch vào 25oC, kg/m3 Từ bảng I.2 [1 – 9], nội suy nhiệt độ 25oC ta có 𝜌𝑥𝑡𝑏1 = 784,75 kg/m3 Từ bảng I.5 [1 – 11,12] tra nhiệt độ 25oC ta có 𝜌𝑥𝑡𝑏2 = 997,08 kg/m3 => 𝜌𝑥𝑡𝑏𝑙 - = 0,35 784,75 1−0,35 997,08 => 𝜌𝑥𝑡𝑏𝑙 = 910,825 (kg/m3) ω: vận tốc dòng lỏng ống Chọn ống có d = 50 mm chiều dài L = 2m => ω = 𝐺đ 𝜌.0,785.𝑑2 => ΔPđ = - + 𝜌.𝜔 2 = = 910,825.0,785.0,052 910,825.1,682 = 1,68 m/s = 1285,356 N/m2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát ΔPm: ΔPm = λ Chỉ số Re = 𝜔.𝑑.𝜌 𝜇 𝐿 𝑑𝑡𝑑 ΔPđ với 𝜇 độ nhớt dung dịch hỗn hợp đầu nhiệt độ 25oC Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 71 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Nội suy từ bảng I.101 [1 – 91] nhiệt độ 25oC ta có μrượu = 1,095.10-3 N.s/m2 Tra từ bảng I.102 [1– 94,95] nhiệt độ 25oC ta có μnước = 0.8937.10-3 N.s/m2 𝑎𝐹 𝜇 μ𝑟ươ𝑢 => Độ nhớt lỏng: = 0,35 𝜇 1,095.10−3 => = => Re = + 1−0,35 0.8937.10−3 1,68.0,05.910,825 + − 𝑎𝐹 μ𝑛ướ𝑐 => 𝜇 = 0,955.10-3 N.s/m2 = 80114,45 > 104 => chế độ chảy xoáy 0,955.10−3 Tra bảng II.15 [1 – 381] với loại ống dẫn nước bão hịa nước nóng với điều kiện rị ( ta có 𝑑𝑡𝑑 ε = 50 0,2 = 250 Regh = ( 𝑑𝑡𝑑 ε Ren = 220 ( [II.60, – 378] ) = (250)7 = 3301 𝑑𝑡𝑑 [II.62, – 379] ) = 220 (250)8 = 109674 ε Nhận thấy Regh < Re < Ren => hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64 [1 – 380]: λ = 0,1.(1,46 ε 𝑑𝑡𝑑 => ΔPm = 0,02901 - + 100 0,25 0,05 𝑅𝑒 ) = 0,1.(1,46 0,2 50 + 100 80114,45 ) 0,25 = 0,02901 1285,356 = 1491,527 N/m2 Áp suất để khắc phục trở lực cục ΔPc: Trên đường ống có van chắn tiêu chuẩn lưu lượng kế Tra bảng II.16 [1 – 382] phần No45 với d = 50 mm ta có ξ1 = 0,5 Giả sử trở lực lưu lượng kế gấp lần van chắn => ξ2 = 3ξ1 = 3.0,5 = 1,5 => ΔPc = ξ.ΔPđ = (0,5 + 1,5) 1285,356 = 2570,712 N/m2 => Chiều cao cột chất lỏng tương đương là: H1 = ∆𝑃đ + ∆𝑃𝑚 + ∆𝑃𝑐 𝜌.𝑔 = 1285,356 + 1491,527 + 2570,712 910,825.9,81 = 0,598 m * Trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: - Áp suất động học: Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 72 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền ΔPđ = 𝜌.𝜔2 [II.54, – 377] , N/m2 Trong đó: o 𝜌: khối lượng riêng dung dịch vào ttb = 57,62oC, 𝜌 = 890,345 kg/m3 o ω: vận tốc dòng lỏng ống truyền nhiệt, chọn ω = 0,7 m/s => ΔPđ = 𝜌.𝜔 2 890,345.0,72 = = 218,134 N/m2 - Áp suất để khắc phục trở lực ma sát ΔPm: ΔPm = λ - Chỉ số Re = 39175,18 > 104 => chế độ chảy xoáy 𝐿 𝑑𝑡𝑑 ΔPđ Tra bảng II.15 [1 – 381] với loại ống dẫn nước bão hịa nước nóng với điều kiện 𝑑𝑡𝑑 rị ( ta có Regh = ( 0,2 = 165 [II.60, – 378] ) = (165)7 = 2053,14 Ren = 220 ( 33 𝑑𝑡𝑑 ε ε = 𝑑𝑡𝑑 [II.62, – 379] ) = 220 (165)8 = 68721,41 ε Nhận thấy Regh < Re < Ren => hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64 [1 – 380]: λ = 0,1.(1,46 ε 𝑑𝑡𝑑 + 100 0,25 𝑅𝑒 ) => ΔPm = 0,03267 - = 0,1.(1,46 0,033 0,2 33 + 100 39175,18 ) 0,25 = 0,03267 218,134 = 863,81 N/m2 Áp suất để khắc phục trở lực cục ΔPc: Dòng chảy qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu gặp nhiều chỗ ngoặt, đột mở, đột thu + Tiết diện ống dẫn dung dịch vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: F1 = 𝜋.𝑑12 = 𝜋.0,052 = 1,96.10-3 (m2) + Tiết diện ống truyền nhiệt ngăn: F3 = 𝜋.𝑑𝑡1 𝑛 𝑚 = 𝜋.0,0332 37 = 5,27.10-3 (m2) + Tiết diện phần thiết bị nơi ống dẫn dung dịch vào là: Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 73 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền F2 = 𝜋.𝐷 = 𝜋.0,52 = 0,196 (m2) với D đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu + Khi chất lỏng chảy vào thiết bị (đột mở) 𝐹1 𝐹2 = 1,96.10−3 0,196 = 0,01 Nội suy bảng II.16 [1 – 382] phần No11 ta có ξ1 = 0,981 + Khi chất lỏng chảy từ khoảng trống vào ngăn (đột thu) 𝐹3 𝐹2 = 5,27.10−3 0,196 = 0,0269 Nội suy bảng II.16 [1 – 382] phần No13 ta có ξ2 = 0,494 + Khi chất lỏng chảy từ ngăn khoảng trống (đột mở) 𝐹3 𝐹2 = 5,27.10−3 0,196 = 0,0269 Nội suy bảng II.16 [1 – 382] phần No11 ta có ξ3 = 0,949 + Khi chất lỏng chảy khỏi thiết bị (đột thu) 𝐹1 𝐹2 = 1,96.10−3 0,196 = 0,01 Tra bảng II.16 [1 – 382] phần No13 ta có ξ4 = 0,5 => ΔPc = ξ.ΔPđ = (0,981 + 0,494 +0,949 + 0,5) 218,134 = 637,824 N/m2 => Chiều cao cột chất lỏng tương đương là: H2 = ∆𝑃đ + ∆𝑃𝑚 + ∆𝑃𝑐 𝜌.𝑔 = 218,134 + 863,81 + 637,824 890,345.9,81 = 0,197 m * Trở lực đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến tháp chưng: - Áp suất động học: ΔPđ = 𝜌.𝜔2 , N/m2 [II.54, – 377] Trong đó: • 𝜌: khối lượng riêng dung dịch vào tf = 80,52oC, kg/m3 • ω: vận tốc dịng lỏng ống Chọn ống có d = 50 mm chiều dài Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 74 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Từ suy ra: • 𝜌 = 𝜌𝐹 = 870,075 (kg/m3) • L = 2m => ω = => ΔPđ = 𝜌.𝜔 2 𝜌.0,785.𝑑2 = 870,075.0,785.0,052 = 1,76 m/s = 1347,572 N/m2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát ΔPm: ΔPm = λ - • Chỉ số Re = • 870,075.1,762 = 𝐺đ 𝜔.𝑑.𝜌 𝜇 𝐿 𝑑𝑡𝑑 ΔPđ với 𝜇 độ nhớt dung dịch hỗn hợp đầu nhiệt độ 25oC Nội suy từ bảng I.101 [1 – 91] nhiệt độ 80,52oC ta có μrượu = 0,413.10-3 N.s/m2 • Tra từ bảng I.102 [1 – 94,95] nhiệt độ 80,52oC ta có μnước = 0,339.10-3 N.s/m2 𝑎𝐹 𝜇 μ𝑟ươ𝑢 => Độ nhớt lỏng: = 0,35 𝜇 0,413.10−3 => = => Re = + 1−0,35 0,339.10−3 1,76.0,05.870,075 0,362.10−3 + − 𝑎𝐹 μ𝑛ướ𝑐 => 𝜇 = 0,362.10-3 N.s/m2 = 211509,95 > 104 => chế độ chảy xoáy Tra bảng II.15 [1 – 381] với loại ống dẫn nước bão hịa nước nóng với điều kiện rị ( ta có 𝑑𝑡𝑑 ε = 50 0,2 = 250 Regh = ( 𝑑𝑡𝑑 ε ) = (250)7 = 3301 Ren = 220 ( 𝑑𝑡𝑑 ε ) = 220 (250)8 = 109674 [II.60, – 378] [II.62, – 379] Nhận thấy Re > Ren => hệ số ma sát λ nội suy từ bảng II.13 [1 – 379] ta có λ = 0,02865 => ΔPm = 0,02865 - 0,05 1347,572 = 1544,317 N/m2 Áp suất để khắc phục trở lực cục ΔPc: Trên đường ống có khuỷa ghép 90o khuỷa 45o tạo thành, chọn độ dài đoạn chéo a = 30 mm Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 75 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Tra bảng II.16 [1 – 382] phần No29 với d = 50 mm, a = 30 mm => a/d = 0,6 ta có ξ = 0,6 => ΔPc = ξ.ΔPđ = 0,6 1347,572 = 808,543 N/m2 => Chiều cao cột chất lỏng tương đương là: H3 = ∆𝑃đ + ∆𝑃𝑚 + ∆𝑃𝑐 𝜌.𝑔 * Chiều cao toàn phần bơm: H = = 1347,572 + 1544,317 + 808,543 870,075.9,81 𝑃2 − 𝑃1 𝜌.𝑔 = 0,433 m + H o + H1 + H2 + H3 Trong đó: o P1, P2: áp suất mặt thoáng chỗ hút đẩy (N/m2); P1 = P2 = at, o Ho: chiều cao hình học đưa chất lỏng lên tháp, tổng chiều cao ống chiều cao thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (coi chiều cao thiết bị thiết bị chiều cao ống truyền nhiệt) => Ho = (1 + 0,5) + (4 + 0,5) = m o H1, H2, H3 chiều cao khắc phục trở lực => H = + + 0,598 + 0,197 + 0,433 = 7,228 m * Cơng suất tồn phần bơm là: N= 𝑄.𝜌.𝑔.𝐻 1000.𝜂 , kW [1 – 439] Trong đó: • Q: suất bơm, m3/s • ρ: khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 • g: giatốc trọng trường, m/s2 • H: áp suất tồn phần bơm, m • η: hiệu suất chung bơm • η = ηo ηtl ηck Ta chọn: hiệu suất thể tích ηo = 0,96 hiệu suất thủy lực ηtl = 0,85 hiệu suất khí ηck = 0,96 Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 76 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền => η = 0,96 0,85 0,96 = 0,78 Q= 𝐹 𝜌.3600 , m3/s => Cơng suất tồn phần bơm là: N = * Công suất động điện: Nđc = 𝑁 𝜂𝑡𝑟 𝜂đ𝑐 𝐹.𝑔.𝐻 1000.3600.𝜂 = 10800.9,81.7,228 1000.3600.0,78 = 0,273 kW [1 – 439] , kW Trong đó: o 𝜂𝑡𝑟 : hiệu số truyền động, lấy 𝜂𝑡𝑟 = 0,9 o 𝜂đ𝑐 : hiệu số động điện, lấy 𝜂đ𝑐 = 0,9 => Nđc = 0,273 0,9.0,9 = 0,337 kW Trong thực tế phải chọn động điện có cơng suất lớn tính tốn: 𝑐 𝑁đ𝑐 = β.Nđc [1 – 439] Dựa vào bảng II.33 [1 – 439] ta có 𝜂đ𝑐 < hệ số dự trữ β = 1,8 𝑐 => 𝑁đ𝑐 = 1,8 0,337 = 0,60 kW Vậy ta chọn bơm có cơng suất 0,60 kW Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 77 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền VI KẾT LUẬN CHUNG Chưng luyện trình phân riêng tác dụng nhiệt, ứng dụng rộng rãi ngành hóa chất thực phẩm số ngành chế biến có liên quan khác Trong trình chưng, cấu tử bay dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp nên ta tách hỗn hợp thành cấu tử riêng biệt Qua thời gian làm việc nghiêm túc, dù gặp khó khăn ảnh hưởng dịch bệnh SARS-COV-2, với hướng dẫn cô Nguyễn Thị Thu Huyền, em hồn thành đồ án mơn học Q trình thiết bị, với nội dung thiết kế tháp chưng luyện loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Rượu metylic – Nước Việc làm đồ án mơn học Q trình thiết bị thực cho em trải nghiệm công việc tính tốn, thiết kế thiết bị, giúp cho em nắm cách sử dụng, tra cứu tài liệu hiệu Sau hoàn thành đồ án, em tích lũy nhiều kiến thức tính tốn, thiết kế - hành trang quý kỹ sư hóa tương lai Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 78 Đồ án Quá Trình Thiết bị GVHD: TS Nguyễn Thị Thu Huyền VII TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả Sổ tay trình Thiết bị cơng nghệ Hóa chất Tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [2] Tập thể tác giả Sổ tay q trình Thiết bị cơng nghệ Hóa chất Tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [3] Nguyễn Bin Các trình, thiết bị cơng nghệ Hóa chất Thực phẩm Tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [4] Nguyễn Bin Các trình, thiết bị cơng nghệ Hóa chất Thực phẩm Tập Nhà xuất koa học kỹ thuật, 2005 [5] Nguyễn Bin Tính tốn q trình thiết bị cơng nghệ Hóa chất Thực phẩm Tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2001 [6] Nguyễn Hữu Tùng Hướng dẫn thực đồ án môn học Quá trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học, 2013 [7] Nguyễn Hữu Tùng Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử Nhà xuất Bách khoa, 2013 Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 79 ... thiết kế Tính tốn thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử - Hỗn hợp: Metylic- nước - Loại thiết bị: tháp chưng luyện loại đệm II Các số liệu ban đầu Năng suất thiết bị. .. phí, chưng phân tử, chưng nước trực tiếp, chưng trích ly Ngày nay, phương pháp chưng sử dụng rộng rãi để tách hỗn hợp Ở đồ án này, ta xét chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử rượu metylic. .. hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt, dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chúng ta thực nhiều phương pháp chưng khác chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng luyện hỗn hợp đẳng