ĐỒ án THIẾT kế kỹ THUẬT HOÁ học TÍNH TOÁN và THIẾT kế THÁP CHƯNG cất mâm CHÓP hệ METHANOL – nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN: Q TRÌNH - THIẾT BỊ - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HOÁ HỌC TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHĨP HỆ METHANOL – NƯỚC GVHD: ThS Nguyễn Thị Như Ngọc SVTH: Nguyễn Mai Hiền Trinh MSSV: 1810608 TP.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Đồ án thiết kế kỹ thuật hố học mơn học mang tính tổng hợp tất kiến thức q trình học tập kỹ sư hóa học nhằm củng cố nắm vững kiến thức học, thúc đẩy niềm đam mê, tìm tịi rèn luyện kỹ giải vấn đề Đồng thời, việc tiếp cận với quy trình thực tế thơng qua việc tính tốn, lựa chọn quy trình thiết bị với yêu cầu cụ thể, thách thức hội để sinh viên tìm hiểu, vận dụng công nghệ ngành kỹ thuật hóa học nhằm giải xử lý yêu cầu đặt cho kỹ sư Đề tài em đảm nhiệm Đồ án thiết kế kỹ thuật hố học “ Tính tốn thiết kế tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước ” với suất nhập liệu 1500 kg/h, có nồng độ 30% khối lượng methanol, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 98% khối lượng methanol sản phẩm đáy có nồng độ 1% khối lượng methanol Thông qua đề tài này, phần giúp em có nhìn tổng quan vai trị tầm quan trọng độ tinh khiết sản phẩm, cụ thể methanol Bên cạnh đó, thân em làm quen với cơng việc tính tốn, thiết kế kỹ sư tương lai Thực đồ án tình hình dịch bệnh Covid - 19 diễn biến phức tạp, điều kiện học tập, làm việc có nhiều khó khăn Song, với tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm tính tốn, thiết kế đầy quý báu cô Nguyễn Thị Như Ngọc nguồn động lực to lớn giúp em hồn thành đồ án Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Như Ngọc, thầy cô môn Quá Trình - Thiết bị giảng dạy cho chúng em kiến thức, kỹ vốn sống Mến chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe thành cơng sống Đồng thời, em/mình cảm ơn anh, chị bạn ngồi nhóm góp ý để em/mình hồn thiện đồ án cách tốt khả thân Tuy nhiên, trình thực chắn khơng tránh khỏi sai sót kiến thức cịn hạn hẹp, em mong q thầy xem xét, góp ý, dẫn để em hồn thành đồ án trọn vẹn MỤC LỤC -CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I Lý thuyết chưng cất 1 Khái niệm Các phương pháp chưng cất .1 Thiết bị chưng cất II Nguyên liệu Methanol Nước 3 Hệ methanol – nước CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I Lựa chọn thiết bị II Sơ đồ quy trình cơng nghệ CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I Cân vật chất Các thông số .8 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy .10 Xác định số hồi lưu thích hợp 12 3.1 Xác định số hồi lưu tối thiểu Rmin 12 3.2 Xác định số hồi lưu thích hợp Rx 13 Xác định số mâm chưng cất thực tế 13 4.1 Xác định số mâm lý thuyết 13 4.2 Xác định số mâm thực tế 14 III Cân lượng 15 Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu 15 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 17 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 19 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 20 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 21 I Tính tốn đường kính tháp chưng 21 Đường kính đoạn cất 21 Đường kính đoạn chưng 23 II Tính chiều cao tháp 26 IV Tính kết cấu phần tháp chưng cất 26 Tính tốn chi tiết chóp tròn 26 Tính tốn chi tiết ống chảy chuyền 28 Tính tốn lỗ tháo lỏng 29 V Kiểm tra hoạt động chóp 29 Độ mở chóp 29 Chiều cao mực chất lỏng gờ chảy tràn .30 Gradient chiều cao mực chất lỏng mâm 30 Độ giảm áp pha khí qua mâm 31 Chiều cao mực chất lỏng không bọt ống chảy chuyền 31 Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền 32 VI Tính trở lực tháp 32 Trở lực mâm khô .33 Trở lực mâm sức căng bề mặt 33 Trở lực chất lỏng mâm .34 Tổng trở lực tháp chóp 35 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 36 I Chiều dày thiết bị 36 Thân tháp chưng cất 36 Đáy nắp thiết bị 38 II Tính tốn ống dẫn 39 Ống dẫn sản phẩm đáy .39 Ống dẫn dòng nhập liệu 39 Ống dẫn khỏi đỉnh tháp 40 Ống dẫn vào đáy tháp 40 Ống dẫn lỏng hoàn lưu .40 III Chọn bích vòng đệm 41 Bích đệm để nối bít kín thiết bị 41 Bích để nối ống dẫn 42 IV Tai treo chân đỡ 43 Tính sơ khối lượng tháp 43 Tai treo .44 Chân đỡ 44 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 46 I Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 46 II Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 49 III Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 53 IV Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 55 V Bồn cao vị 58 Tổn thất đường ống dẫn 58 1.1 Vận tốc dòng nhập liệu .59 1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống 59 1.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục 59 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu 59 2.1 Xác định hệ số ma sát đường ống 60 2.2 Xác định tổng hệ số tổn thất cục 60 2.3 Chiều cao bồn cao vị 60 VI Bơm 61 Cột áp .61 1.1 Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy 62 1.2 Xác định tổng tổn thất cục ống hút 62 1.3 Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy 62 Công suất 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Lý thuyết chưng cất I Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hồ cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Chưng cất cô đặc giống nhau, nhiên khác hai trình trình chưng cất dung môi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan không bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hai cấu tử ta thu hai sản phẩm: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sơi lớn) Đối với hệ Benzen – Toluen: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen toluen - Sản phẩm đáy chủ yếu toluen benzen Các phương pháp chưng cất Các phương pháp chưng cất phân loại theo: - Áp suất làm việc: • Áp suất thấp (nhỏ áp suất khí quyển) • Áp suất thường (bằng áp suất khí quyển) • Áp suất cao (lớn áp suất khí quyển) - Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử có hệ, nhiệt độ sơi cấu tử q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi 1|Page Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp cấu tử có hệ, từ dẫn đến làm thay đổi giản đồ pha hệ theo hướng giảm nhiệt độ sơi hệ chưng cất Ngun lí làm việc: - • Chưng bậc • Chưng lơi theo nước • Chưng cất - Cấp nhiệt đáy tháp: • Cấp nhiệt trực tiếp • Cấp nhiệt gián tiếp Do hệ cần phân tách hệ methanol – nước, có nhiệt độ sơi cấu tử áp suất khí 65oC (với methanol nguyên chất) 100oC (với nước nguyên chất) dựa theo số liệu cân lỏng – – nhiệt độ sơi (T – x – y) hệ áp suất khí khơng có điểm đẳng phí, khoảng nhiệt độ sơi hỗn hợp dao động khoảng 65 – 100oC tùy theo nồng độ cấu tử Khoảng nhiệt độ không cao để phải thực chưng cất chân không Vì vậy, để chưng cất hệ methanol – nước ta thực chưng cất áp suất khí (xem atm), tháp hoạt động liên tục (để ổn định suất, dễ giới hóa, tự động hóa giảm chi phí vận hành Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều phụ thuộc vào mức độ phân tán pha vào Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát hai loại tháp thường dùng tháp mâm tháp chêm Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo mâm, ta có: - Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ S,…và ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng 2|Page Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp mặt bích hay hàn.Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Do sản phẩm methanol với yêu cầu độ tinh khiết cao sử dụng với hỗn hợp methanol – nước hỗn hợp khơng có điểm đẳng khí nên đồ án lựa chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp, sử dụng tháp mâm chóp II Nguyên liệu Methanol Methanol gọi methyl alcohol, alcohol gỗ, rượu metylic, naphtha gỗ hay rượu mạnh gỗ, có cơng thức hố học CH3OH (thường viết tắt MeOH) Ở nhiệt độ phịng, rượu metylic chất lỏng khơng màu, phân cực, tan vơ hạn nước có mùi vị đặc trưng Một số thông số vật lý: Phân tử lượng: 32,04 g/mol Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy: -97oC Nhiệt độ sơi 760 mmHg: 64,5oC Độ nhớt: 0,59 N.s/m2 20oC Methanol sử dụng chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, nguyên liệu để sản xuất chất khác Ngoài methanol cịn chuyển hóa thành formaldehyde phục vụ cho công nghiệp chất dẻo, sơn,… Hiện nay, methanol sản xuất cách tổng hợp trực tiếp từ H2 CO, gia nhiệt áp suất thấp có mặt chất xúc tác Nước Nước có cơng thức phân tử H2O, chất lỏng không màu, không mùi, không vị Một số thông số vật lý: Phân tử lượng: 18 g/mol Khối lượng riêng: 997,08 kg/m3 (ở 25oC) Nhiệt độ sơi 760mmHg: 100oC 3|Page Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Nhiệt nóng chảy: 0oC Độ nhớt: 1,0.103 N.s/m2 25oC Nước hợp chất phân cực mạnh, dùng làm dung mơi hịa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí Hệ methanol – nước Bảng cân lỏng – cho hỗn hợp methanol – nước 1atm: ToC 100 x y 92,3 87,7 10 26,8 41,8 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5 20 30 40 50 60 70 80 90 100 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 57,9 66,5 72,9 Trong đó: x thành phần lỏng, y thành phần (% mol) Bảng số liệu biểu diễn thành giản đồ T – x – y (thể thay đổi điểm bọt điểm sương hỗn hợp methanol – nước atm theo thay đổi nồng độ cấu tử methanol pha lỏng) giản đồ x – y (thể đường cong cân phân mol lỏng – hệ) Đường cong cân lỏng – hệ methanol – nước atm đường cong lồi, khơng có điểm đẳng phí (điểm mà x = y) 4|Page Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Nhiệt lượng cần tải: 𝑘𝐽 𝑄𝑡 = 𝐺𝐷 𝐶𝐷 (𝑡𝐷𝑣 − 𝑡𝐷𝑟 ) = 447,17.2755,5 (65,03 − 40) = 30841,39 ( ℎ ) * Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm ống Các thông số sản phẩm đỉnh nhiệt độ tDtb = (65,03 + 40)/2 = 52,52oC: Suất lượng đỉnh GD = 447,17/3600 = 0,124 (kg/s) Nhiệt dung riêng CD = 2726,34 (J/kg.oC) Khối lượng riêng ρD = 762,73 (kg/m3) Độ nhớt động lực µD = 0,385.10-3 (N.s/m2 ) λD = 0,206 W/m.oC ( nội suy ST1_ bảng I.130/134) Hệ số dẫn nhiệt Vận tốc sản phẩm đỉnh ống: 𝜈𝐷 = 4𝐺𝐷 𝜋 𝜌𝐷 𝑛𝑑𝑡𝑟 = 4.0,124 𝜋 762,73 .61.0,0212 = 0,03 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐷 = 𝜈𝐷 𝑑𝑡𝑑 𝜌𝐷 𝜇𝐷 = 0,03.0,021.762,73 0,385.10−3 = 1248,1 < 2300 (ST2_V.36/13) → Chế độ chảy dòng, chuẩn số Nusselt tính theo cơng thức: 𝑁𝑢 = 0,15 𝜀1 𝑅𝑒 0,33 𝑃𝑟 0,43 𝐺𝑟 0,1 ( 𝑃𝑟 0,25 𝑃𝑟𝑡 ) Chuẩn số Gratkov: 𝐺𝑟 = (ST2_V.45/17) (ST2_V.39/13) 𝑔 𝑑ố𝑛𝑔 𝜌𝐷 𝛽 ∆𝑡𝐿 9,81 0,0213 762,732 1,25 103 10 = = 4,5 1012 −3 (0,385 ) 𝜇𝐷 10 Tra ST1_Bảng I.235/285, hệ số giãn nỡ thể tích sản phẩm đỉnh coi methanol 52,52oC: 𝛽 = 1,25.103 oC-1 Với: 𝜀1 : hệ số phụ thuộc vào ReD tỉ số L/dtr Giả sử L/dtr > 50, nên 𝜀1 = PrD: Chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh 52,52C 𝑃𝑟𝐷 = → 𝑁𝑢𝑛 = 𝜇𝐷 𝐶𝐷 λD = 0,385.10−3 2726,34 0,206 = 5,1 ( ST2_V.35/12 ) 66,75 𝑃𝑟𝑤 0,25 Hệ số cấp nhiệt nước chùm ống : 𝛼𝐷 = 𝑁𝑢𝐷 λD 𝑑𝑛𝑔 = 66,75.0,206 𝑃𝑟𝑤 0,25 0,021 = 654,8 𝑃𝑟𝑤 0,25 (W/m2.oC) (ST2_V.33/11) Nhiệt tải phía nước lạnh: 𝑞𝐷 = 𝛼𝐷 (𝑡̅𝐷 − 𝑡𝑤1 ) = 654,8 𝑃𝑟𝑤 0,25 (52,52 − 𝑡𝑤1 ) (*) 50 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ngồi ống Các thơng số nước nhiệt độ trung bình tNtb = (tv + tr) = (25+40)/2 = 32,5oC Nhiệt dung riêng Cn = 4180,9 J/kg.oC ( Nội suy ST1_Bảng I.147/165 ) Khối lượng riêng ρn = 995,2 kg/m3 ( Nội suy ST1_ Bảng I.2/ ) Độ nhớt động lực μn = 0,765.10-3 N.s/m2 ( Nội suy ST1_Bảng I.101/91 ) Hệ số dẫn nhiệt 𝐺𝑛2 = ̅ 𝐶𝐷 (𝑡𝐷 −𝑡 ′ ) 𝐷 𝐷 𝐶𝑛 (𝑡2 −𝑡1 ) 447,17.2726,34.(65,03−40) = ( Nội suy ST1_Bảng .129/133 ) λn = 0,62 W/m.oC 4180,9.(40−25) = 486,58 (kg/h) Vận tốc thực tế nước ống: 𝜈𝑛 = 4.𝐺𝑛2 𝜌𝑛 𝜋.𝑑2 𝑡𝑑 = 4.486,58 995,2.𝜋.(0,42 −61.0,0252 ).3600 = 1,42.10-3 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑛 = 𝜈.𝑑𝑡𝑑 𝜌𝑛 𝜇𝑛 = 5,22.10−3 √0,42 −61.0,0252 995,2 0,765.10−3 = 2270,7 < 2300 ( ST2_V.36/13) → Chế độ chảy dịng, chuẩn số Nusselt tính theo công thức: 𝑃𝑟 0,25 𝑁𝑢 = 0,23 𝜀𝜑 𝑅𝑒 0,65 𝑃𝑟 0,33 ( 𝑃𝑟𝑡 ) ( ST2_V.47/18 ) Với: 𝜀𝜑 : hệ số tính đến ảnh hưởng góc 𝜃 ( giả sử 90o ) nên 𝜀𝜑 = Prn: Chuẩn số Prandlt nước 32,5oC, Prn = 4,75 (ST2_ Hình V.12/12) Prw: Chuẩn số Prandlt nước ứng với nhiệt độ trung bình vách → 𝑁𝑢𝑛 = 46,4 𝑃𝑟𝑤 0,25 Hệ số cấp nhiệt nước ống: 𝛼𝑛 = 𝑁𝑢𝑛 λn 𝑑ố𝑛𝑔 = 46,4.0,62 𝑃𝑟𝑤 0,25 0,025 = 1150,72 𝑃𝑟𝑤 0,25 (W/m2.oC) Nhiệt tải phía nước làm lạnh: 𝑞𝑛 = 𝛼𝑛 (𝑡𝑤2 − 𝑡𝑛𝑡𝑏 ) = 1150,72 𝑃𝑟𝑤 0,25 (𝑡𝑤2 − 32,5) (**) Với tw2 nhiệt độ vách tiếp xúc với nước phía ống * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑤1 −𝑡𝑤2 ∑ 𝑟𝑡 (W/m2) Với: tw1 nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu ống ∑ 𝑟𝑡 = Bề dày thành ống: 𝛿𝑡 = 0,002 m 𝛿𝑡 𝜆𝑡 + 2𝑟 51 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: 𝜆𝑡 = 17,5 (W/m.oK) (ST3_Bảng 28/28) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống: r =1/5000 (m2.oK/W) (ST2_V.1/4) Suy ra: ∑ 𝑟𝑡 = 5,14.10-4 (m2.oK/W) Vậy qt = 1944,44 (𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2 ) (***) Từ (*),(**),(***) tính lặp để tìm tw1 tw2 Chọn tw1 = 41,41oC Các thông số sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ tw1: Nhiệt dung riêng 𝐶𝑤1 = 2676,35 J/kg.oC Độ nhớt động lực µw1 = 0,442 10−3 N s/m2 Hệ số dẫn nhiệt 𝑃𝑟𝑤1 = 𝜆𝑤1 = 0,208 𝑊/𝑚𝐾 ( nội suy ST1_ bảng I.130/134) 𝜇𝑤1 𝐶𝑤1 = 𝜆𝑤1 0,442.10−3 2676,35 0,208 = 5,69 ( ST2_V.35/12) Từ (*) → qD = 4710,26 (W/m2) Xem nhiệt mát không đáng kể: qt = qD = 4710,26 (W/m2) Từ (***) → tw2 = 38,99oC → twtb = (41,41+38,99)/2 = 40,2oC → Prw2 = 5,77 (ST2_V.12/12) Từ (**) → qn = 4818,59 (W/m2) Kiểm tra sai số: 𝜀 = |𝑞𝑛 −𝑞𝐷 | 𝑞𝐷 100% = 2,3% < 5% (thoả) Vậy tw1 = 41,41oC tw2 = 38,99oC Khi đó: αn = 742,46 (W/m2.C) αD = 422,49 (W/m2.C) Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: 𝐾= 1 +5,14.10−4 + 742,46 422,49 = 198,53 (W/m2.oC) Bề mặt truyền nhiệt: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡 ̅̅̅ 𝐾.∆𝑡.𝜀(1−4) (ST2_V.8/5) ( ST6_3.72/192 ) = 8567,05 198,53.16,59.0,82 = 6,34 m2 Chiều dài ống: 𝐿= 𝐹𝑡𝑏 𝜋 𝑛 (𝑑𝑛 + 𝑑𝑡𝑟 )/2 = 1,61 (𝑚) Chọn chiều dài ống m, đường kính vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,4 m Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr: 𝐿 𝐷𝑡𝑟 = 0,4 = (thoả điều kiện L/Dtr = ÷ ) 52 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp III Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 25x2, ống Dịng sản phẩm đáy, trước vào nồi đun có nhiệt độ tw1 = 99,08oC, sau khỏi nồi đun nhiệt độ tw2 = 100oC, ngồi Dịng nước áp suất at ngưng tụ thơi = 132,7oC, ống Nhiệt hố rh = 2171,29 (kJ/kg) Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính theo cơng thức: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡 ̅̅̅ 𝐾.∆𝑡 (ST2_V.1/3) Hiệu số nhiệt độ trung bình: (132,7−99,08)−(132,7−100) ̅̅̅ = ∆𝑡1−∆𝑡 ∆𝑡 = 30,16℃ 132,7−99,08 ∆𝑡1 = 𝑙𝑛 ( ∆𝑡2 𝑙𝑛 ( ) 132,7−100 (ST2_V.8/5) ) Nhiệt lượng đốt cung cấp cho nồi đun: 𝑄𝐷2 = 71603,52 (kJ/h) = 19889,87 (W) (đã tính cân lượng) Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: 𝐾= (ST2_V.5/3) 1 +∑ 𝑟𝑡 + 𝛼𝑆 𝛼ℎ Trong đó: 𝛼𝑆 : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống (W/m2.K) 𝛼ℎ : hệ số cấp nhiệt nước ngưng tụ (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡 : nhiệt trở thành ống lớp cáu (m2.K/W) * Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: 𝑟ℎ 𝛼ℎ = 1,28𝐴 ((𝑡 ℎ −𝑡𝑤1 ).𝑑𝑡𝑟 ) 0,25 129,07.𝐴 0,25 𝑤1 ) = (132,7−𝑡 (ST2_V.111/30) Với A hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ Nhiệt tải phía nước: 𝑞ℎ = 𝛼ℎ (𝑡ℎ − 𝑡𝑤1 ) = 129,07 𝐴 (132,7 − 𝑡𝑤1 )0,75 (*) * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy: Do nồng độ methanol dòng sản phẩm đáy nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy nước: Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy nồi: tStb = (99,08+100)/2 = 99,54oC Khi sủi bọt thể tích lớn, hệ số cấp nhiệt tính theo cơng thức: 𝜌′ 𝑆 𝑟𝑆ℎ 𝛼𝑆 = 7,77 10−2 (𝜌 ′ 𝑆 −𝜌 𝑆 0,033 ) 𝜌 0,333 (𝜎𝑆 ) 𝑆 𝜇 𝜆𝑆 0,75 𝑞 0,7 𝑆 0,45 𝐶 0,117 𝑇 0,37 𝑆 (ST2_V.89/26) 53 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp → 𝛼𝑆 = 7,77 10−2 ( 0,589.2258,61 958,32−0,589 ) 0,033 ( 958,32 0,059 ) 0,333 0,6830,75 𝑞0,7 (0,286.10 −3 0,45 ) 4229,080,117 (99,54+273)0,37 = 2,467 𝑞0,7 Các thông số nước tStb = 99,54oC, 1at ( tra ST1) Khối lượng riêng pha lỏng: 𝜌𝑆 = 958,32 kg/m3 Khổi lượng riêng pha hơi, ta có: 𝜌′ 𝑆 = 273.𝑀𝑛ướ𝑐 22,4.𝑇 = 273.18 22,4.(99,54+273) = 0,589 kg/m3 Độ nhớt động lực học: 𝜇𝑆 = 0,286 10−3 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆𝑆 = 0,683 W/m.oC Sức căng bề mặt: 𝜎𝑆 = 0,059 N/m Nhiệt dung riêng: 𝐶𝑆 = 4229,08 J/kg.oC Nhiệt hoá hơi: 𝑟𝑆 = 2258,61 kJ/kg Giả sử q = qt → 𝑞𝑆 = 𝛼𝑆 (𝑡𝑤2 − 99,54) (**) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑤1 −𝑡𝑤2 ∑ 𝑟𝑡 (W/m2) Trong đó: ∑ 𝑟𝑡 = 𝛿𝑡 𝜆𝑡 + 2𝑟 𝛿𝑡 = mm: bề dày thành ống 𝜆𝑡 = 17,5 (W/m.oK): hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) r = 1/5000 (m2.oK/W): Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống (ST2_V.1/4) → 𝑞𝑡 = 0,002 17,5 +2 5000 (t w1 − t w2 ) = 1944,44 (t w1 − t w2 ) (***) Từ (*), (**), (***), tính lặp để tìm tw1 tw2 Chọn tw1 = 130,72oC Ta tra giá trị A = 191,216 → qh = 41195,37 (W/m2) Giả sử qt = qh → tw2 = 109,53 oC → qS = 41891,75 (W/m2) Kiểm tra sai số: 𝜀 = |𝑞𝑆 −𝑞ℎ | 𝑞ℎ 100% = 1,69% < 5% (thoả) Vậy tw1 = 130,72oC tw2 = 109,53oC Khi đó: 𝛼ℎ = 20805,74 (W/m2.oC) 𝛼𝑆 = 4242,86 (W/m2.oC) 54 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp →𝐾= 1 1 + + 20805,74 1944,44 4193,37 = 1001,72 (W/m2.oC) (ST2_V.8/5) Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 𝐹𝑡𝑏 = Chiều dài ống truyền nhiệt: 𝐿 = 𝑄𝐷2 ̅̅̅ 𝐾.∆𝑡 = 19889,87 1001,72.30,16 𝐹𝑡𝑏 𝜋.𝑛.(𝑑𝑛 +𝑑𝑡𝑟)/2 = 0,65 m2 = 1,18 (𝑚) (ST2_V.1/3) → Vậy chọn L = 1,5 (m), thoả điều kiện L/dtr>50 IV Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống đặt nằm ngang, gồm pass phía ống pass phía vỏ Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 16x2, 61 ống Các thơng số ống: Đường kính ngồi: dn = 16 mm = 0,016 m Bề dày ống: 𝛿𝑡 = mm = 0,002 m Đường kính trong: dtr = 0,012 m Hơi đốt nước at, ống 16x2 Ta thông số: Nhiệt hoá hơi: rnước = rn = 2171,29 kJ/kg Nhiệt độ sơi: tnước = tn = 132,7oC Dịng nhập liệu có nhiệt độ: - Trước vào nồi đun (lỏng): 25oC - Sau đun (hơi): 82,06oC Suất lượng nước cần dùng: 𝐷1 = 𝑄𝐹 −𝑄𝑓 0,95𝑟𝑛 = 159,29 (kg/h) Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (132,7−25)−(132,7−82,06) ̅̅̅ = ∆𝑡1−∆𝑡 ∆𝑡 = 75,62℃ 132,7−25 ∆𝑡1 = 𝑙𝑛 ( ∆𝑡2 ) 𝑙𝑛 ( 132,7−82,06 ) (ST2_V.8/5) Hệ số truyền nhiệt: 𝐾= 1 +∑ 𝑟𝑡 + 𝛼𝐹 𝛼𝑛 (ST2_V.5/3) Trong đó: 𝛼𝐹 : hệ số cấp nhiệt dịng nhập liệu (W/m2.K) 𝛼𝑠 : hệ số cấp nhiệt đốt (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡 : nhiệt trở thành ống lớp cáu (m2.K/W) 55 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑤1 −𝑡𝑤2 (W/m2) ∑ 𝑟𝑡 Trong đó: 𝛿 𝑡𝑤1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) ∑ 𝑟𝑡 = 𝑡 + 2𝑟 𝜆𝑡 𝛿𝑡 = mm: bề dày thành ống 𝜆𝑡 = 17,5 (W/m.oK): hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) r = 1/5000 (m2.oK/W): Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống (ST2_V.1/4) Suy ra: ∑ 𝑟𝑡 = 5,14.10-4 (m2.oK/W) Vậy qt = 1944,44 (𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2 ) (*) * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: Tại nhiệt độ sơi trung bình dịng nhập liệu: tFtb = 53,53oC - 𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 761,82 𝑘𝑔/𝑚3 Khối lượng riêng hỗn hợp: { 𝜌𝑛ướ𝑐 = 985,91 𝑘𝑔/𝑚3 𝜌ℎℎ = ̅̅̅̅ 𝑥𝐹 𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 + ̅̅̅̅ 1−𝑥 𝐹 𝜌𝑛ướ𝑐 = 0,3 761,82 + 1−0,3 985,91 → 𝜌ℎℎ = 905,96 kg/m3 𝜌ℎℎ Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆ℎℎ = 3,58 10−8 𝐶𝑝ℎℎ 𝜌ℎℎ √ 𝑀ℎℎ = 3,58 10−8 3748,87.905,96 √ 905,96 = 0,428 𝑊/𝑚𝐾 20,72 𝜇𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,38 10−3 N s/𝑚2 𝜇𝑛ướ𝑐 = 0,52 10−3 N s/𝑚2 = 𝑥𝐹 𝑙𝑜𝑔 µ𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 + (1 − 𝑥𝐹 ) 𝑙𝑜𝑔 µ𝑛ướ𝑐 Độ nhớt hỗn hợp: { → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ = 0,194 𝑙𝑜𝑔(0,38 10−3 ) + (1 − 0,194) 𝑙𝑜𝑔( 0,52 10−3 ) → µℎℎ = 0,489 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 Nhiệt dung riêng hỗn hợp: { 𝐶𝑝(𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙) = 2730,89 𝐽/𝑘𝑔𝐾 𝐶𝑝(𝑛ướ𝑐) = 4185,15 𝐽/𝑘𝑔𝐾 → 𝐶𝑝ℎℎ = 𝐶𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 ̅̅̅ 𝑥𝐹 + 𝐶𝑛ướ𝑐 (1 − ̅̅̅) 𝑥𝐹 = 2730,89.0,3 + 4185,15 (1 − 0,3) = 3748,87 ( J ) kg độ Áp dụng công thức ST2_V.35/12, ta được: 𝐶𝐹 𝜇𝐹 3748,87.0,489 10−3 𝑃𝑟𝐹 = = = 4,283 𝜆𝐹 0,428 Vận tốc dòng nhập liệu ống: 𝜈𝐹 = 6𝐺𝐹 𝜋 𝜌 𝑑 𝑡𝑟 𝑛 = 6.1,5 𝜋 905,96 .0,0212 61 = 0,47 (m/s) 56 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐹 = 𝜈𝐹 𝑑𝑡𝑟 𝜌𝐹 = 𝜇𝐹 0,47.0,021.905,96 0,489.10−3 = 18285,9 > 10000 (ST2_V.36/13) → Chế độ chảy rối, chuẩn số Nusselt tính theo cơng thức: 0,25 𝑃𝑟 Chuẩn số Nusselt: 𝑁𝑢𝐹 = 0,021 𝜀1 𝑅𝑒𝐹 0,8 𝑃𝑟𝐹 0,43 (𝑃𝑟 𝐹 ) 𝐹2 332,95 = 𝑃𝑟 𝐹2 0,25 (ST2_V.44/16) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước phía vỏ: 𝛼𝑁 = 0,725 √𝜇 𝑟𝑁 𝑔.𝜆𝑁 𝜌𝑁 (**) 𝑁 𝑑𝑛𝑔 (𝑡𝑁 −𝑡𝐹1 ) Hệ số cấp nhiệt thành ống có bị ảnh hưởng xếp ống Bố trí ống theo hình lục giác với 61 ống → số đường chéo đường cạnh ống Tra (ST2_Hình V.20/30), ta có 𝜀𝑡𝑏 = 0,85 Khi đó: 𝛼𝑐𝑛 = 𝜀𝑡𝑏 𝛼𝑁 Dùng phép lặp, chọn tF1 = 120,16oC Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = 126,43oC Tại nhiệt độ này: 𝜌𝑛 =937,76 kg/m3; 𝜇𝑛 = 0,225.10-3 N.s/m2; 𝜆𝑛 = 0,686 W/m.K 𝛼𝑁 = 12405,62 W/m2.K → qn = 𝜀𝑡𝑏 𝛼𝑁 (tn – tF1) = 132231,5 W/m2 → qt = qn =132231,5 W/m2 𝑡𝐹2 = 𝑡𝐹1 − 𝑞𝑡 ∑ 𝑟𝑡 = 52,19 oC Tại nhiệt độ này: Khối lượng riêng hỗn hợp: { 𝜌ℎℎ = ̅̅̅̅ 𝑥𝐹 𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 + ̅̅̅̅ 1−𝑥 𝐹 𝜌𝑛ướ𝑐 = 0,3 763,03 𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 763,03 𝑘𝑔/𝑚3 𝜌𝑛ướ𝑐 = 986,51 𝑘𝑔/𝑚3 + 1−0,3 986,51 → 𝜌ℎℎ = 906,83 kg/m3 - 𝜌ℎℎ Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆ℎℎ = 3,58 10−8 𝐶𝑝ℎℎ 𝜌ℎℎ √ = 3,58 10−8 3746,36.906,83 √ Độ nhớt hỗn hợp: { 𝑀ℎℎ 906,83 = 0,429 𝑊/𝑚𝐾 20,72 𝜇𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,386 10−3 N s/𝑚2 𝜇𝑛ướ𝑐 = 0,531 10−3 N s/𝑚2 → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ = 𝑥𝐹 𝑙𝑜𝑔 µ𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 + (1 − 𝑥𝐹 ) 𝑙𝑜𝑔 µ𝑛ướ𝑐 → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ = 0,194 𝑙𝑜𝑔(0,386 10−3 ) + (1 − 0,194) 𝑙𝑜𝑔( 0,531 10−3 ) → µℎℎ = 0,5 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 Nhiệt dung riêng hỗn hợp: { 𝐶𝑝(𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙) = 2724,86 𝐽/𝑘𝑔𝐾 𝐶𝑝(𝑛ướ𝑐) = 4184,14 𝐽/𝑘𝑔𝐾 → 𝐶𝑝ℎℎ = 𝐶𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 ̅̅̅ 𝑥𝐹 + 𝐶𝑛ướ𝑐 (1 − ̅̅̅) 𝑥𝐹 = 2724,86.0,3 + 4184,14 (1 − 0,3) = 3746,36 ( J ) kg độ 57 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp 𝐶𝐹 𝜇𝐹 Áp dụng cơng thức ST2_V.35/12, ta 𝑃𝑟𝐹 = 𝜆𝐹 = 4,37 → NuF = 230,28 → 𝛼𝐹 = 𝑁𝑢𝐹 𝜆𝐹 230,28.0,429 = = 4704,29 𝑑𝐹𝑡𝑟 0,021 → 𝑞𝐹 = 𝛼𝐹 (𝑡𝐹2 − 25) = 4704,29 (52,19 − 25) = 127909,65 W/m2 Kiểm tra sai số: 𝜀 = |𝑞𝑁 −𝑞𝐹 | 𝑞𝐹 100% = 3,38% < 5% (thoả) Vậy tF1 = 120,16oC tF2 = 52,19oC Khi đó: 𝛼𝐹 = 2704,29 (W/m2.oC) 𝛼𝑁 = 10405,62 (W/m2.oC) 𝐾= 1 1 + + 2704,29 1944,44 10405,62 = 1001,44 (W/m2.oC) (ST2_V.8/5) Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 𝐹𝑡𝑏 = Chiều dài ống: 𝐿 = 𝑄𝐷 ̅̅̅ 𝜀(1−6) 𝐾.∆𝑡 𝐹𝑡𝑏 𝜋.𝑛.(𝑑𝑛 +𝑑𝑡𝑟)/2 121,13.1000 = 1001,44.75,62.0,8 = 2,62 m2 (ST6_3.72/192) = 1,01 (𝑚) → Vậy chọn L = 1,5 (m) Với cách bố trí ống vỉ theo hình lục giác, số ống truyền nhiệt cần thiết 61 ống, số ống đường chéo hình lục giác b = 9, số hình lục giác đồng tâm hình Chọn bước ngang hai ống: t = 1,25.dng = 1,25.0,016 = 0,02 (m) Đường kính vỏ thiết bị: Dtr = t.(b-1) + 4.dng = 0,224 (m) Vậy chọn chiều dài ống L = 1,5 m, đường kính vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,3 m Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr: 𝐿 𝐷𝑡𝑟 V = 1,5 0,3 = (thoả điều kiện L/Dtr = ÷ ) Bồn cao vị Tổn thất đường ống dẫn Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 50 (mm) Tra ST1_II.15/381 → Độ nhám ống: 𝜀 = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) 𝑙 Tổn thất đường ống dẫn: ℎ1 = (𝜆1 𝑑1 + ∑ 𝜉1 ) 𝜈𝐹 2𝑔 (𝑚) 𝜆1 : hệ số ma sát đường ống 𝑙1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn 𝑙1 = 30 (m) 𝑑1 : đường kính ống dẫn, 𝑑1 = 𝑑𝑡𝑟 = 0,05 (m) 𝜈𝐹 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 58 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp 1.1 Vận tốc dịng nhập liệu Dòng nhập liệu dung dịch methanol 30% nhiệt độ 25oC có thơng số : Khối lượng riêng 𝜌𝐹 = 932,25 kg/m3 Độ nhớt động lực 𝜇𝐹 = 1,605.10-3 N.s/m2 Năng suất nhập liệu F = 1500 kg/h Vận tốc dòng nhập liệu ống: 𝜐𝐹 = 1.2 4𝐹 3600.𝜋.𝜌𝐹 𝑑𝑡𝑟 = 4.1500 3600.𝜋.932,25.0,052 = 0,228 m/s Xác định hệ số ma sát đường ống Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐹 = 𝜐𝐹 𝑑𝑡𝑟 𝜌𝐹 0,228.0,05.932,25 = = 6610,8 > 2300 𝜇𝐹 1,605 10−3 → Chế độ chảy độ, hệ số ma sát xác định theo công thức: 𝜆𝐹 = 1.3 0,3164 𝑅𝑒 0,25 = 0,3164 6610,80,25 = 0,035 (ST1_II.59/378) Xác định tổng hệ số tổn thất cục *Chỗ uốn cong: Tra bảng ST1_II.16/382: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = 𝜉𝑢1 = 0,15 Đường ống có chỗ uốn → 𝜉𝑢1 = 0,15.4 = 0,6 - Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn: 𝜉𝑣𝑎𝑛(1 𝑐á𝑖) = 5; van → 𝜉𝑣𝑎𝑛 = 5.2 = 10 - Lưu lượng kế: 𝜉11 = ( coi không đáng kể ) - Vào tháp: 𝜉𝑡ℎá𝑝 = Nên: ∑ 𝜉1 = 𝜉𝑢1 + 𝜉𝑣𝑎𝑛 + 𝜉11 = 0,6 + 10 + = 11,6 𝑙 → ℎ1 = (𝜆1 𝑑1 + ∑ 𝜉1 ) 𝜈𝐹 2𝑔 30 0,2282 = ℎ1 = (0,035 0,05 + 11,6) 2.9,81 = 0,086 m Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu ℎ2 = (𝜆2 𝑙2 𝜈2 + ∑ 𝜉2 ) (𝑚) 𝑑2 2𝑔 Trong đó: 𝜆2 : hệ số ma sát đường ống 𝑙2 : chiều dài đường ống dẫn, chọn 𝑙2 = (m) 𝑑2 : đường kính ống dẫn, 𝑑2 = 𝑑𝑡𝑟 = 0,032 (m) 59 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp ∑ 𝜉2 : tổng hệ số tổn thất cục 𝜈2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, 𝜈2 = 1,328 m/s 2.1 Xác định hệ số ma sát đường ống Chuẩn số Reynolds: Re2 = 51667,51 > 10000: chế độ chảy rối Độ nhám: 𝜀 = 0,0002 m Chuẩn số Reynolds giới hạn: 𝑑 𝑅𝑒𝑔ℎ = ( 2)7 = 1982,19 𝜀 (ST1_II.60/378) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 𝑑 𝑅𝑒𝑛 = 220 ( )8 = 66383,12 (ST1_II.62/379) 𝜀 Vì 𝑅𝑒𝑔ℎ < 𝑅𝑒2 < 𝑅𝑒𝑛 → chế độ chảy rối ứng với khu vực độ 𝜀 100 0,25 Áp dụng công thức ST1_II.64/380: 𝜆2 = 0,1 (1,46 𝑑 + 𝑅𝑒 ) 𝑡𝑟 2.2 - = 0,032 Xác định tổng hệ số tổn thất cục Tra bảng ST1_II.16/382: Khi F0/F1 = 0,0322/0,082 = 0,16 𝜉độ𝑡 𝑡ℎ𝑢 (1 𝑐ℎỗ) = 0,458 Có chỗ đột thu → 𝜉độ𝑡 𝑡ℎ𝑢 = 0,458 - Tra bảng ST1_II.16/382: Khi F0/F1 = 0,0322/0,082 = 0,16 𝜉độ𝑡 𝑚ở (1 𝑐ℎỗ) = 0,708 Có chỗ đột mở → 𝜉độ𝑡 𝑚ở = 0,708 Nên: ∑ 𝜉2 = 𝜉độ𝑡 𝑡ℎ𝑢 + 𝜉độ𝑡 𝑚ở = 1,166 𝜈 𝑙 1,3282 → ℎ2 = (𝜆2 𝑑2 + ∑ 𝜉2 ) 2𝑔 = (0,032 0,032 + 1,166) 2.9,81 = 0,644 (𝑚) 2.3 Chiều cao bồn cao vị Chọn: - Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị - Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 𝑧1 = 𝑧2 + Trong đó: 𝑃2 − 𝑃1 𝜐2 − 𝜐1 + + ∑ ℎ𝑓1−2 𝜌𝐹 𝑔 2𝑔 𝑧1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv 𝑧2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: → 𝑧2 = ℎ𝑐ℎâ𝑛 đỡ + ℎđá𝑦 + (𝑛𝑡𝑡 𝑐ℎư𝑛𝑔 − 1) ∆ℎ + 0,5 = 0,24 + 0,2 + (7-1).0,3 + 0,5 = 2,74 m 60 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp 𝑃1 : áp suất mặt thống (1-1), chọn P1 = at = 9,81.104 (N/m2) 𝑃2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 = 𝑛𝑡𝑡 𝑐ấ𝑡 ∆𝑃𝐿 = 10.360,96 = 3609,6 (N/m2) 𝜐1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem 𝜐1 = (m/s) 𝜐2 : vận tốc vị trí nhập liệu, 𝜐2 = 𝜐𝐹 = 1,328 m/s ∑ ℎ𝑓1−2 : tổng tổn thất hệ thống đường ống: → ∑ ℎ𝑓1−2 = 0,086 + 0,664 = 0,75 m → 𝑧1 = 𝑧2 + 𝑃2 −𝑃1 𝜌𝐹 𝑔 + 𝜐2 −𝜐1 2𝑔 3609,6 + ∑ ℎ𝑓1−2 = 2,74 + 932,25.9,81 + 1,3282 2.9,81 + 0,75 = 3,97 𝑚 → Chọn Hcv = m VI Bơm Cột áp Chọn: Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 𝑧1 + 𝑃1 𝜐1 𝑃2 𝜐2 + = 𝑧2 + + + ∑ ℎ𝑓1−2 𝜌𝐹 𝑔 2𝑔 𝜌𝐹 𝑔 2𝑔 Trong đó: 𝑧1 : độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, chọn 𝑧1 = 0,5 m 𝑧2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, chọn 𝑧2 = 𝐻𝑐𝑣 = m 𝑃1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn 𝑃1 = at 𝑃2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn 𝑃2 = at 𝜐1 , 𝜐2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) (2-2), xem 𝜐1 = 𝜐2 = m/s ∑ ℎ𝑓1−2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) 𝐻𝑏 : cột áp bơm Chọn đường kính ống hút ống đẩy dtr = 50 mm Tra ST1_II.15/381, độ nhám ống 𝜀 = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy: ∑ ℎ𝑓1−2 = (𝜆 𝑙ℎ +𝑙đ 𝑑𝑡𝑟 + ∑ 𝜉ℎ + ∑ 𝜉𝑛 ) 𝜐𝐹 2𝑔 𝑙ℎ : chiều dài ống hút, 25oC, tra bảng ST1_II.34/441, ta có chiều cao hút = 4,5 m → Chọn 𝑙ℎ = m 61 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp 𝑙đ : chiều dài ống đẩy → chọn 𝑙đ = 7,5 m ∑ 𝜉ℎ ∑ 𝜉𝑛 tổng tổn thất cục ống hút ống đẩy 𝜆: hệ số ma sát ống 𝜐𝐹 : vận tốc dòng nhập liệu: 𝜐𝐹 = 1.1 4𝐹 3600.𝜋.𝜌𝐹 𝑑𝑡𝑟 = 4.1500 3600.𝜋.932,25.0,052 = 0,228 m/s Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐹 = 𝜐𝐹 𝑑𝑡𝑟 𝜌𝐹 0,228.0,05.932,25 = = 19428,98 > 10000 𝜇𝐹 0,547 10−3 → Chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn: 𝑑 𝑅𝑒𝑔ℎ = ( 2)7 = 3301,07 𝜀 (ST1_II.60/378) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 𝑑 𝑅𝑒𝑛 = 220 ( )8 = 109674,4 𝜀 (ST1_II.62/379) Vì 𝑅𝑒𝑔ℎ < 𝑅𝑒𝐹 < 𝑅𝑒𝑛 → chế độ chảy rối ứng với khu vực độ 𝜀 100 0,25 Áp dụng công thức ST1_II.64/380: 𝜆𝐹 = 0,1 (1,46 𝑑 + 𝑅𝑒 ) 𝑡𝑟 1.2 𝐹 = 0,032 Xác định tổng tổn thất cục ống hút Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382 Chọn dạng ống uốn cong 90o với R/d = 𝜉𝑢1(1 𝑐ℎỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn: 𝜉𝑢1 = 0,15.2 = 0,3 Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 𝜉𝑣1 = → ∑ 𝜉𝑛 = 0,3 + = 5,3 1.3 Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382 Chọn dạng ống uốn cong 90o với R/d = 𝜉𝑢2(1 𝑐ℎỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn: 𝜉𝑢2 = 0,15.2 = 0,3 Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 𝜉𝑣2 = Vào bồn cao vị: 𝜉𝑐𝑣 = → ∑ 𝜉ℎ = 0,3 + + = 6,3 → ∑ ℎ𝑓1−2 = (𝜆 𝑙ℎ +𝑙đ 𝑑𝑡𝑟 + ∑ 𝜉ℎ + ∑ 𝜉𝑛 ) 𝜐𝐹 2𝑔 = 0,05 m → Vậy cột áp bơm: 𝐻𝑏 = (𝑧2 − 𝑧1 ) + ∑ ℎ𝑓1−2 = (4 − 0,5) + 0,05 = 3,55 m 62 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Cơng suất Chọn hiệu suất bơm: 𝜂𝑏 = 0,8 Công suất thực tế bơm: 𝑁𝑏 = 𝐹̅ 𝐻𝑏 𝑔 3600.𝜂𝑏 = 1500.3,58.9,81 3600.0,8 = 18,29 (𝑊 ) = 0,025 𝐻𝑝 Vậy để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: Năng suất: 𝑄𝑏 = 1500 932,25 = 1,61 m3/h Cột áp: 𝐻𝑏 = 3,58 m Công suất: 𝑁𝑏 = 0,5 Hp 63 | P a g e Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [2] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr [3] Tập thể tác giả, “Bảng tra cứu Quá trình học Truyền nhiệt – Truyền khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2012 [4] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [5] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [6] Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Q trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr 64 | P a g e ... ngành kỹ thuật hóa học nhằm giải xử lý yêu cầu đặt cho kỹ sư Đề tài em đảm nhiệm Đồ án thiết kế kỹ thuật hoá học “ Tính tốn thiết kế tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước ” với suất nhập... T – x – y hệ methanol – nước atm 5|Page Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I Lựa chọn thiết bị - Tháp chưng cất: Tháp mâm chóp - Nồi đun sử dụng cho tháp chưng: Nồi... lỏng – hệ methanol – nước atm đường cong lồi, khơng có điểm đẳng phí (điểm mà x = y) 4|Page Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Hình Đường cong cân lỏng – hệ methanol – nước atm Hình Giản đồ T – x –