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

Lý thuyết về chưng cất

Khái niệm

Chưng cất là phương pháp tách các thành phần trong hỗn hợp lỏng hoặc khí lỏng dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của chúng Quá trình này diễn ra khi các cấu tử ở cùng nhiệt độ, tại đó áp suất hơi bão hòa của từng cấu tử là khác nhau, cho phép tách riêng biệt các thành phần trong hỗn hợp.

Trong quá trình chưng cất, sự hình thành pha mới diễn ra thông qua quá trình bốc hơi hoặc ngưng tụ, thay vì thêm một pha mới như trong các quá trình hấp thu hoặc nhả khí.

Chưng cất và cô đặc đều là các quá trình liên quan đến sự bay hơi, nhưng chúng có sự khác biệt cơ bản Trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, dẫn đến sự hiện diện của các cấu tử trong cả hai pha với tỷ lệ khác nhau Ngược lại, trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi bay hơi, trong khi chất tan không bay hơi.

Khi tiến hành chưng cất, chúng ta thu được nhiều cấu tử, và số lượng cấu tử sẽ tương ứng với số lượng sản phẩm thu được Đối với hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử, kết quả sẽ là hai sản phẩm được hình thành.

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ).

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ Benzen – Toluen:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.

- Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.

Các phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

• Áp suất thấp (nhỏ hơn áp suất khí quyển).

• Áp suất thường (bằng áp suất khí quyển).

• Áp suất cao (lớn hơn áp suất khí quyển).

Nguyên tắc làm việc trong quá trình tách các cấu tử trong hệ là dựa vào nhiệt độ sôi của chúng Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, việc giảm áp suất làm việc sẽ giúp hạ thấp nhiệt độ sôi, từ đó tối ưu hóa quá trình tách và tăng hiệu quả làm việc.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp cấu tử có trong hệ sẽ làm thay đổi giản đồ pha của hệ, dẫn đến việc giảm nhiệt độ sôi của toàn bộ hệ chưng cất.

• Chưng lôi cuốn theo hơi nước.

Hệ methanol – nước có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là 65 o C cho methanol nguyên chất và 100 o C cho nước nguyên chất, không có điểm đẳng phí Nhiệt độ sôi của hỗn hợp dao động từ 65 đến 100 o C tùy theo nồng độ cấu tử, cho phép thực hiện chưng cất ở áp suất khí quyển (1 atm) Việc chưng cất này được thực hiện trong tháp hoạt động liên tục nhằm ổn định năng suất, dễ dàng cơ giới hóa, tự động hóa và giảm chi phí vận hành.

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, việc chưng cất thường sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau, nhưng yêu cầu chung là cần có diện tích tiếp xúc pha lớn Mức độ phân tán của các pha ảnh hưởng đến thiết bị sử dụng: khi pha khí phân tán vào pha lỏng, thường dùng tháp mâm, còn khi pha lỏng phân tán vào pha khí, tháp chêm và tháp phun là lựa chọn phổ biến Bài viết này sẽ tập trung khảo sát hai loại tháp thường được sử dụng là tháp mâm và tháp chêm.

Tháp mâm là một loại thiết bị công nghiệp có thân hình trụ đứng, bên trong được trang bị các mâm với cấu tạo đa dạng, cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc hiệu quả Tùy thuộc vào cấu trúc của từng mâm, hiệu suất và ứng dụng của tháp mâm sẽ khác nhau.

Tháp mâm chóp là một thiết bị quan trọng trong quá trình tách pha, với mâm bố trí các chóp hình tròn, xupap, chữ S và ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác nhau Các tiết diện này được thiết kế tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất tách và nâng cao hiệu quả hoạt động của tháp.

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

Tháp chêm, hay còn gọi là tháp đệm, là một cấu trúc hình trụ được thiết kế với nhiều bậc nối tiếp nhau thông qua mặt bích hoặc hàn Vật chêm được đưa vào tháp bằng hai phương pháp chính: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự.

Sản phẩm methanol yêu cầu độ tinh khiết cao, và khi kết hợp với hỗn hợp methanol – nước, không có điểm đẳng khí Do đó, phương pháp chưng cất liên tục với cấp nhiệt gián tiếp và sử dụng tháp mâm chóp được lựa chọn để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình tách chiết.

Nguyên liệu

Methanol

Methanol, hay còn gọi là rượu metylic, có công thức hóa học là CH3OH (thường được viết tắt là MeOH) Ở nhiệt độ phòng, methanol là một chất lỏng không màu, phân cực và tan vô hạn trong nước, với mùi vị đặc trưng Một số thông số vật lý của methanol rất quan trọng để hiểu rõ về tính chất của nó.

Methanol có nhiệt độ nóng chảy -97 o C và nhiệt độ sôi 64,5 o C ở áp suất 760 mmHg, với độ nhớt 0,59 N.s/m² tại 20 o C Chất lỏng này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chất chống đông, dung môi, nhiên liệu và nguyên liệu sản xuất các hợp chất khác Ngoài ra, methanol còn được chuyển hóa thành formaldehyde, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp chất dẻo và sơn.

Hiện nay, methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt áp suất thấp có mặt chất xúc tác.

Nước

Nước có công thức phân tử H2O, là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Một số thông số vật lý:

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp

Nhiệt đô nóng chảy: 0 o C Độ nhớt: 1,0.10 3 N.s/m 2 ở 25 o C Nước là hợp chất phân cực mạnh, vì vậy được dùng làm dung môi hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí.

Hệ methanol – nước

Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp methanol – nước ở 1atm:

Trong đó: x là thành phần lỏng, y là thành phần hơi (% mol).

Bảng số liệu được thể hiện qua giản đồ T-x-y và x-y, cho thấy sự thay đổi điểm bọt và điểm sương của hỗn hợp methanol và nước ở áp suất 1 atm theo nồng độ methanol trong pha lỏng Đặc biệt, đường cong cân bằng lỏng-hơi của hệ methanol-nước tại 1 atm có dạng cong lồi và không xuất hiện điểm đẳng phí, tức là không có điểm nào mà tại đó x = y.

Hình 1 Đường cong cân bằng lỏng – hơi của hệ methanol – nước tại 1 atm.

Hình 2 Giản đồ T – x – y của hệ methanol – nước tại 1 atm.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Lựa chọn thiết bị

- Tháp chưng cất: Tháp mâm chóp.

- Nồi đun sử dụng cho tháp chưng: Nồi đun Kettle.

- Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm.

- Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm.

- Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm.

- Bồn cao vị (ổn định lưu lượng nhập liệu).

- Dùng bơm li tâm ( bơm nguyên liệu lên bồn cao vị ).

Sơ đồ quy trình công nghệ

Quy trình sử dụng dung dịch methanol - nước với 30% khối lượng methanol, được chứa trong bồn chứa nguyên liệu Dung dịch này được bơm lên bồn cao vị, nơi mực chất lỏng được kiểm soát qua ống chảy tràn Dòng nhập liệu được điều chỉnh bằng lưu lượng kế và được gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp bằng hơi nước bão hòa Cuối cùng, dòng nhập liệu được đưa vào tháp chưng cất ở mâm nhập liệu.

Tháp chưng cất bao gồm hai phần chính: phần trên là mâm nhập liệu và phần dưới là mâm chưng Hơi đi từ dưới lên, gặp chất lỏng đi từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Khi hơi đi lên, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi giảm dần, và nước có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại ở các mâm Cuối cùng, hỗn hợp thu được ở đỉnh tháp có hàm lượng methanol cao nhất Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm lạnh và chuyển vào bồn chứa sản phẩm đỉnh, trong khi phần còn lại được hoàn lưu về đỉnh tháp Nước ngưng từ các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị bẫy hơi Ở đáy tháp, hỗn hợp chủ yếu là các cấu tử khó bay hơi, với methanol chiếm 1% và phần còn lại là nước Sản phẩm đáy được dẫn vào nồi đun, nơi một phần dung dịch sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp, trong khi phần còn lại được làm nguội tự nhiên trước khi xử lý và thải ra môi trường.

Sơ đồ quy trình công nghệ

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Cân bằng năng lượng

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

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Q D1 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h).

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

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

Q ng1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h).

Q xq1 : Nhiệt lượng mất mát (J/h).

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

T F = 82,06 o C : nhiệt độ ra của hỗn hợp (ở trạng thái lỏng sôi).

CF : nhiệt dung riêng (Tra ST1_bảng I.147, I.153)

Xét dòng nhập liệu: T Fsôi = 82,06 o C

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

Chọn Tf = 25 o C : nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu.

C : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) (Tra ST1_bảng I.147, I.153) Xét dòng nhập liệu: T f = 25 o C

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: chọn hơi nước bão hòa ở 3 at

1 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/kg ).

C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J/kg.độ).

1 : Nhiệt độ của hơi nước bão hòa. r1: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg).

D1: Lượng hơi nước bão hòa sử dụng (kg/h).

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường ( bằng 5% nhiệt do hơi đốt mang vào )

Lượng hơi nước cần thiết để gia nhiệt dòng nhập liệu đến độ sôi

Chọn hơi nước bão hoà ở p = 3at → t 1 = 1 = 132,7 o C Từ ST2_I.212/254, nội suy ta có: r 1 =

0,95 1 0,95.2171,29ℎ Ở T = 132,7 o C, nội suy ở ST2_I.148/166, ta được: 1 = 4272 / độ

2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất

Phương trình cân bằng nhiệt lượng :

Q D2 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h).

Q R : Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h).

QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h).

Qy: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h).

Q w : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h).

Q ng2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h).

Q xq2 : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường (J/h).

Nhiệt lượng do lượng lỏng hoàn lưu mang vào: ̅

= : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh.

Xét dòng sản phẩm đỉnh: T Dsôi = T R = 65,03 o C

độ ( Nội suy từ bảng 2)

Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp:

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:

2 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg).

2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ).

2 = 100 o C: Nhiệt độ của hơi nước bão hoà.

2 : Ẩn nhiệt hoá hơi (J/kg).

2 : Lượng hơi nước bão hoà sử dụng (kg/h).

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp: ̅

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp :

Nhiệt lượng riêng của methanol, nước:

Xét dòng sản phẩm đỉnh: T D = 65,03 o C, ta có:

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q w ̅

Xét dòng sản phẩm đáy: T W = 99,08 o C, ta có:

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường ( bằng 5% nhiệt do hơi đốt mang vào )

Lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp:

Chọn hơi nước bão hoà ở p = 3at → t 2 = = 132,7 o C

Từ ST2_I.212/254 nội suy ta có: r 2 = 2171,29 kJ/kg

0,95 2 0,95.2171,29 ℎ Ở T = 132,7 o C, nội suy ở ST2_I.148/166 ta được: 2 = 4272 /( độ)

3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Chọn trường hợp ngưng tụ hoàn toàn ̅

Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t 1 = 25 o C, t 2 = 40 o C

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình C n = 4177 ( kg J

4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Cân bằng nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: ̅ ′

Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t D = 65,03 o C

Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh t D ′ = 40 o C

Nước làm nguội có nhiệt độ vào là: t 1 = 25 o C, t 2 = 40 o C

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình Cn = 4177 (

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh:

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Tính toán đường kính tháp chưng

Đường kính tháp được xác định theo công thức:

: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h).

: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).

: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h).

( ) : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m 2 s).

Do sự biến đổi của lượng lỏng và lượng hơi theo chiều cao của tháp, cần tính toán riêng đường kính trung bình cho từng đoạn, bao gồm đoạn chưng và đoạn cất.

Lượng hơi trung bình đi trong phần cất:

Trong quá trình cất, lượng hơi trung bình đi qua đoạn cất được ký hiệu là gtb, với đơn vị tính là ℎ Lượng hơi thoát ra từ mâm trên cùng của tháp được ký hiệu là gđ, cũng tính bằng ℎ Đồng thời, lượng hơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất được ký hiệu là g1, với đơn vị tính tương tự là ℎ.

Ta có: M D = 31,51 kg/kmol ( Tính ở cân bằng vật chất) ̅

Lượng hơi đi vào mâm g 1 : tra ST2_IX.93, IX.94, IX.95/182, ta có:

Trong quá trình chưng cất, lượng lỏng tại mâm thứ nhất của đoạn cất (G1) đóng vai trò quan trọng Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp khi vào mâm thứ nhất (r1) và ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp khi ra ở đỉnh tháp (rD) là những yếu tố cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất chưng cất.

Tính r 1 : Ở t1 = tF = 82,06 o C, tra ST1_I.212/254, ta có:

Tính r d : Ở t D = 65,03 o C, tra ST1_I.212/254, ta có:

Từ (1), (2) và (*), ta có hệ phương trình:

Nồng độ phần mol trung bình pha khí:

Nhiệt độ trung bình đoạn cất:

Nồng độ phần mol trung bình pha lỏng:

ℎ + (1 − ) ướ 0,580.32 + (1 − 0,580) 18 Ở x tb = 0,580 => t tb = 71,58 o C, tra ST1_I.2/10, được:

Tính φ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt, ở nhiệt độ trung bình của đoạn cất

Tra ST3_Bảng 24/25, ta có σ ℎ = 0,018 ( ) và σ ướ = 0,064 ( )

Sức căng bề mặt hỗn hợp được tính theo công thức ST1_I.76/299

Vì 14,00 dyn/cm < 20 dyn/cm → φ[σ] = 0,8 (ST2/184)

Tốc độ hơi đi trong phần cất của tháp:

Chọn h = 0,3 m (khoảng cách mâm), ta tính được ( ) = 0,803 ( 2 ) Đường kính đoạn cất của tháp: = 0,0188√ = 0,0188√

Lượng hơi trung bình đi trong phần chưng:

: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h).

1 ′ : lượng hơi đi vào đoạn chưng tháp (kg/h).

′ = 1 = 887,99 /ℎ: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (bằng lượng hơi đi vào đoạn cất) (kg/h).

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1 ’ : tra ST2_IX.98, IX.99 và IX.95/183, ta có:

G 1 ′ : lượng lỏng ở mâm thứ nhất của đoạn chưng. r 1 ′ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào mâm thứ nhất của đoạn chưng.

Ta có x w = 0,006, tra đồ thị cân bằng của hệ ta được y w = 0,032

Ta có: t1 ’ = tw = 99,08 o C, tra ST1_I.212/254, ta có:

Tính r 1 : ( Phần đường kính phần cất )

Nồng độ phần mol trung bình pha khí:

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

Nồng độ phần mol trung bình pha lỏng:

ℎ ướ Ở x tb ’ = 0,1 => t ’ tb = 87,7 o C, tra ST1_I.2/10, được:

Tính φ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt, ở nhiệt độ trung bình của đoạn chưng

Tra ST3_Bảng 24/25, ta có σ ℎ = 0,017 ( ) và σ ướ = 0,06 ( )

Sức căng bề mặt hỗn hợp được tính theo công thức ST1_I.76/299

Vì 13,00 dyn/cm < 20 dyn/cm → φ[σ] = 0,8 (ST2/184)

Tốc độ hơi đi trong phần chưng của tháp:

Chọn h = 0,3 m (khoảng cách mâm), ta tính được (ρ y ω y ) ′ tb = 0,736 ( m kg

2 s ) Đường kính đoạn chưng của tháp: ′ = 0,0188√

Do đường kính của phần cất D cất = 0,677 m và phần chưng D chưng = 0,604 m chênh lệch nhau không nhiều, nên ta chọn đường kính cho cả 2 phần của tháp là 0,70 m.

Với = 0,70 m, ta tính lại tốc độ bay hơi (khí) trong đoạn cất và đoạn chưng: Đoạn cất:

Tính chiều cao tháp

Chiều cao tháp được xác định theo công thức:

H: Chiều cao của tháp chưng cất, m Ntt: Số mâm thực tế của tháp chưng cất

Hđ: Khoảng cách giữa các mâm, m. δ: Bề dày của mâm, chọn δ = 3 (mm) = 0,003 (m)

0,8 ÷ 1: Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, m.

Chọn đáy (nắp) tiêu chuẩn: ℎ

Vậy chiều cao đáy (nắp):

Kết luận chiều cao toàn tháp là:

ℎá = + 2 ℎ ắ = 6,151 + 2.0,2 = 6,551 ≈ 7 Vậy chọn chiều cao toàn tháp là 7 m.

Tính kết cấu phần trong của tháp chưng cất

1 Tính toán các chi tiết của chóp tròn

Dựa vào các công thức tính toán cho chóp (ST2/236, 237), ta có: Đường kính ống hơi của chóp: chọn dh = 50 mm.

Số chóp phân bố trên một mâm: = 0,1 2 = 0,1 = 19,6 ( ℎó ).

→ Chọn số chóp phân bố trên mâm: n = 19 (chóp) để bố trí lục giác.

Chiều cao của chóp phía trên ống dẫn hơi: ℎ 2 = 0,25 ℎ = 0,25.50 = 12,5 ( )

Chiều dày của chóp: chọn ℎ = 2 mm = 0,002 m.

Khoảng cách từ mặt mâm đến chân chóp: S = 0 ÷ 25 mm, chọn S = 15 mm.

Khoảng cách từ mép dưới của khe chóp tới mép dưới của chóp h sr = 5 mm

Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: h 1 = 15 ÷ 40 mm, chọn h 1 = 25 mm. Đường kính chóp:

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng toàn tháp:

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi toàn tháp:

Lượng hơi trung bình đi trong toàn tháp:

Lưu lượng hơi đi trong tháp:

Tốc độ của dòng hơi:

Chọn trở lực của chóp: ξ = 2 Chiều cao khe chóp:

→ Chọn chiều cao của khe chóp là b = 15 mm = 0,015 m.

Chọn khoảng cách giữa các khe c = 4 mm, chiều rộng khe chóp a = 6 mm.

Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp: l 2 = 12,5 + 0,25.d ch = 30,9 mm

Bước tối thiểu của chóp trên mâm: t min = d ch + 2 ℎ + l 2 = 73,6 + 2.2 + 35 = 112,6 (mm) ≈ 113 mm

Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:

Trong đó: : bề dày ống chảy chuyền, chọn = 2 , 1 : khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, chọn 1 = 50

2 Tính toán chi tiết ống chảy chuyền

Lượng lỏng trung bình đi trong toàn tháp:

Lưu lượng lỏng đi trong tháp:

858,12 Đường kính ống chảy chuyền:

G x : lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h). ρ x : khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 ). z: số ống chảy chuyền. ω c : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền.

Chọn hình dạng ống chảy chuyền là hình tròn, số ống chảy chuyền một mâm là z = 2 Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền: chọn = 0,1 ( )

→ Chọn đường kính ống chảy chuyền là d c = 0,05 m.

Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền (m): ∆ℎ = 3√(3600.1,85 )2

Chiều cao ống chảy chuyền lên trên mâm:

Khoảng cách từ mâm đến ống chảy chuyền:

Chiều dài gờ chảy tràn:

Từ điều kiện Schảy tràn = 20%.Ftháp, ta tính được các thông số sau:

Ta có: S quạt – S tam giác = S bán nguyệt

Chiều dài gờ chảy tràn: = 2 = = 0,7 93,32 = 0,51 m

Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn: = 2.

Diện tích ống chảy chuyền:

Diện tích giới hạn bởi gờ chảy tràn: A = A mâm - A chuyền = 0,318 2

Bề rộng trung bình của mâm: Bm = A/Lw = 0,318/0,51 = 0,624 m

3 Tính toán lỗ tháo lỏng

Tiết diện ngang của tháp: A = 0,385 2 Cứ mỗi 1 2 tiết diện ngang của tháp, chọn 3

2 , tổng diện tích lỗ tháo lỏng cần thiết cho một mâm là: 0,385.3 = 1,155 2

Khi chọn đường kính cho một lỗ tháo lỏng là 0,6 cm, số lượng lỗ tháo lỏng cần thiết cho một mâm được tính là 1,155/(4 x 2) = 4,08 lỗ Do đó, quyết định chọn số lỗ trên một mâm là 5 lỗ.

Kiểm tra sự hoạt động của chóp

Với lỗ chóp hình chữ nhật, độ mở của chóp h S có thể tính như sau:

ℎ = = 15 : chiều cao hình học của lỗ chóp, mm.

= = 1045,52 3600 = 0,28 m 3 /s: lưu lượng của pha khí.

S S : tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm, m 2

→ Tỉ số ℎ = 15,80 = 1,05 → Thỏa điều kiện ℎ ≈ ℎ ℎ15

2 Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn

Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính theo công thức:

Với: = = 1,239 m 3 /h : lưu lượng chất lỏng

= 0,51 m : chiều dài gờ chảy tràn

Tra đồ thị ST4_Hình 5.9/110, ta có:

3 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm

Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ được tính theo công thức:

∆= ∆ ′ (ST3_5.5/111) Với: : hệ số hiệu chỉnh suất lượng pha khí. n: số hàng chóp mà pha lỏng phải chảy qua.

∆ ′ : gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp.

Chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm được tính theo công thức:

Trong nghiên cứu này, tỷ lệ khoảng cách giữa hai chóp và đường kính chóp được tính toán với giá trị l²/dch = 35/73,6, cho kết quả là 0,476 Khoảng cách trung bình từ mép chóp đến mâm h có giá trị hsc = 12,5 mm, trong khi trị số X đạt 3,629 Theo đồ thị ST3_5.14/112, tỷ lệ l²/dch là 0,476 dẫn đến kết quả y = 4∆' = 4 mm.

Gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp: ∆ ′ = 4 = 1 4

Chiều cao mực chất lỏng trung bình: ℎ = 45 + 5,24 + 0,5.0,9 = 50,69

4 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm Độ giảm áp của pha khí qua một mâm được xác định tại điều kiện trung bình trên mỗi mâm theo công thức sau:

ℎ = ℎ + ℎ + ℎ + ℎ + 0,5∆ (ST4_5.7/114) Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc khí thổi qua chóp khi không có chất lỏng:

Sr : tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm (m 2 ).

K: hệ số tổn thất áp suất cho chóp khô.

Diện tích hình vành khăn và diện tích ống hơi của chóp:

Tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm: Sr = 17.0,002 = 0,034 (m 2 )

Tỷ số S vk /S hơi = 1, theo đồ thị ST4_5.16/115 cho thấy K = 0,65 Độ giảm áp do ma sát h fv, chiều cao thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên lỗ chóp đến gờ chảy tràn hss, cùng với độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ht, là các yếu tố quan trọng trong quá trình tính toán.

5 Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng không bọt được xác định theo công thức:

Tổn thất thuỷ lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm được xác định:

→ Tháp không bị ngập lụt.

6 Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền

Với: h o : khoảng cách rơi tự do: ℎ = + ℎ + ℎ (ST4_5.13/116)

H: khoảng cách mâm Giá trị không nên vượt quá 60% bề rộng ống chảy chuyền Giá trị bề rộng ống chảy chuyền trong tháp là:

→ Chất lỏng khi chảy vào ống chảy chuyền không bị va đập vào thành thiết bị.

Tính trở lực của tháp

Trở lực tháp chóp được xác định theo công thức:

: số mâm thực tế của tháp.

∆P đ : Tổng trở lực của một mâm.

Trở lực của một mâm gồm ba phần:

Với: ∆P k : trở lực mâm khô, N/m 2

∆P s : trở lực do sức căng bề mặt, N/m 2

∆P t : trở lực của lớp chất lỏng trên mâm, N/m 2

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi liên tục theo chiều cao tháp nên ta tính trở lực riêng đối với từng đoạn chưng, đoạn cất.

1 Trở lực của mâm khô

Trong đó: ξ: hệ số trở lực, chọn ξ = 4. ρ y : khối lượng riêng của pha hơi (kg/m 3 ). ω o : tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s.

V y : lưu lượng hơi đi trong tháp (m 3 /h) = g ytb : lượng hơi trung bình đi trong tháp.

2 Trở lực của mâm do sức căng bề mặt

Trong đó: đ σ: sức căng bề mặt.

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp d tđ : đường kính tương đương của khe chóp.

: diện tích tiết diện của khe chóp:

Khi rãnh chóp mở hoàn toàn: (ST2_IX.212/192)

* Phần cất: t tb = 71,58 o C, tra ST1_I.242/302, ta được:

* Phần chưng: t tb = 87,7 o C, tra ST1_I.242/302, ta được:

3 Trở lực của chất lỏng trên mâm

ℎ : Chiều cao khe chóp ℎ = = 0,015 ρ : Khối lượng riêng của bọt, thường = 0,5 ( kg/m 3 ) b g: Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s 2

ℎ : Chiều cao lớp bọt trên mâm (m) (ST2_IX.110/185)

: Phần bề mặt có gắn chóp (đã trừ 2 phần diện tích mâm để bố trí ống chảy chuyền)

: Tổng diện tích các chóp trên mâm (m 2 )

∆: Chiều cao lớp chất lỏng trên ống chảy chuyền (m) : ∆= ∆h = 0,01

ℎ : Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên mâm (m)

ℎ 2 : Chiều cao phía trên ống dẫn hơi: ℎ 2 = 0,25 = 0,25.0,05 = 0,0125

→ ℎ ℎ = ℎ + ℎ 2 = 0,06 + 0,0125 = 0,0725 ℎ : Chiều cao ống chảy chuyền lên trên mâm: ℎ = ℎ = 0,045 : Đường kính ống chảy chuyền = 0,05

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, = 799,34 kg/m 3

: Khối lượng riêng của bọt trên mâm, ρ b = 0,5ρ x = 0,5.799,34 = 399,67 kg/m 3

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, = 916,89 kg/m 3

: Khối lượng riêng của bọt trên mâm, ρ b = 0,5ρ x = 0,5.916,89 = 458,45 kg/m 3

4 Tổng trở lực của tháp chóp

Tổng trở lực của một mâm phần cất là:

Tổng trở lực của một mâm phần chưng là:

Tổng trở lực của tháp chóp:

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Chiều dày thiết bị

Thân tháp được thiết kế hình trụ và chế tạo từ thép không gỉ (X18H10T) thông qua phương pháp hàn hồ quang điện Các đoạn của thân tháp được nối ghép chắc chắn bằng mối ghép bích cũng làm từ thép không gỉ (X18H10T).

Dựa vào ST2_bảng XII.4/309 và bảng XII.7/313 ta có các thông số đặc trưng của X18H10T:

Tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm

Hệ số dãn khi kéo ở nhiệt độ từ 20 o C tới 100 o C là 16,6.10 -6 o C -1

Hệ số an toàn bền kéo: n k = 2,6

Hệ số an toàn bền chảy: nch = 1,5

Hệ số Poatxông được xác định dựa trên đường kính trong của tháp chưng cất, với D = 0,7 m Tháp chưng cất hoạt động dưới áp suất bên trong được tính tại đáy tháp, với môi trường làm việc lỏng-khí, được biểu diễn bằng công thức P = P h + P L + ∆P Áp suất hơi trong tháp cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét.

Ph = 1at = 9,81.10 4 N/m 2 Áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng:

Khối lượng riêng trung bình của chất lỏng trong tháp:

Chiều cao cột chất lỏng bằng chiều cao của thân tháp cộng với chiều cao phần lồi của đáy, nắp và theo (ST2_ XIII.11/381): h t = 0,25.D t = 0,25.0,7 = 0,175 m

Do áp suất tại đáy tháp:

Theo (ST2_ XIII.8/362), giá trị bền hàn của thân hình trụ, hàn hồ quang điện, D t = 0,7m, thép hợp kim ℎ = 0,95 ( kiểu hàn: hàn giáp mối hai bên).

Chiều dày của thân hình trụ ( làm việc chịu áp suất trong P)

(ST2_XIII.8/360) Ứng suất cho phép của vật liệu khi kéo, chảy với hệ số điều chỉnh = 0,9

Chọn ứng suất cho phép bắng với ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên:

Đại lượng bổ sung tổng cộng được tính bằng công thức C = C1 + C2 + C3, trong đó C1 đại diện cho đại lượng bổ sung do ăn mòn, được chọn với thiết bị có tuổi thọ từ 15 đến 20 năm và tốc độ ăn mòn dưới 0,1 mm/năm, với giá trị C1 là 1 mm Đại lượng bổ sung do hao mòn được xem là không đáng kể, do đó C2 bằng 0 mm Cuối cùng, C3 được xác định dựa trên dung sai chiều dày.

→ Chọn bề dày của tháp là 5 mm.

Kiểm tra ứng suất thành của thiết bị

2.( − ) 1,2 Áp suất thủy lực: với thiết bị dạng hàn và làm việc ở P (N/m 2 )

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp Áp suất thử P 0 : (ST2_XIII.27/365)

→ Chọn bề dày thân tháp là 5 mm.

2 Đáy và nắp thiết bị

Sử dụng vật liệu giống như phần thân tháp, chọn loại đáy, nắp hình elip có gờ, tính toán bề dày, kích thước của nắp và đáy giống nhau.

Dựa vào (ST2_bảng XIII.10/382) với Dt = 0,7 m và chiều cao phần lồi của đáy, nắp h t = 0,175 m

Chọn chiều cao gờ h = 0,025 m và diện tích bề mặt trong F t = 0,59 m 2

Chiều dày của đáy và nắp elip của thiết bị chịu áp suất trong: ắ

Hệ số không thứ nguyên: (ST2_XIII.48/385)

= 1 − = 1 − 0,7 = 0,743 d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng trên nắp, lấy d = 0,18 m

Vì ắ − < 10 mm => tăng 2 mm so với giá trị C tính ở phần thân tháp

Theo bảng ST2_XIII.12/385, chọn bề dày của đáy và nắp là 5 mm.

Kiểm tra ứng suất thành nắp và đáy của thiết bị

→ Chọn bề dày đáy và nắp là 5 mm.

Tính toán các ống dẫn

Đường kính của ống nối dẫn lỏng và ống dẫn hơi trong tháp được tính bằng công thức:

Q: Lưu lượng lỏng hoặc hơi tùy theo ống dẫn, kg/h.

: Khối lượng riêng của lỏng hoặc hơi, kg/m 3 : Vận tốc dòng lỏng hoặc hơi, m/s.

1 Ống dẫn sản phẩm đáy

Tra ST1_bảng I.2/9, theo Tw = 99,08 o C, ta có:

Tốc độ trung bình của chất lỏng tự chảy:

Chọn = 0,25 / ( ST1_bảng II.2/370) Đường kính trong của ống nối:

→ Tra ST2_XIII.32/434, ta được chiều dài đoạn ống nối l = 100 mm.

2 Ống dẫn dòng nhập liệu

Tra ST1_bảng I.2/9, theo TF = 82,06 o C, ta có:

3 Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là T D = 65,03 o C.

Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:

Tốc độ trung bình của hơi quá nhiệt chuyển động trong ống dẫn:

Chọn = 30 / ( ST1_bảng II.2/370) Đường kính trong của ống nối:

4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là Tw = 99,08 o C.

Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:

Tốc độ trung bình của hơi bão hoà chuyển động trong ống dẫn:

Chọn = 40 / ( ST1_bảng II.2/370) Đường kính trong của ống nối:

5 Ống dẫn lỏng hoàn lưu

Tra ST1_bảng I.2/9, theo T D = 65,03 o C, ta có:

Chọn bích và vòng đệm

1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị

Mặt bích là bộ phận dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.

Chọn bích liền không cổ bằng thép CT3 với mặt bích có đường kính D t = 700 mm theo tiêu chuẩn ST2_bảng XIII.27/421 Dựa trên kiểu bích liền bằng thép CT3 (kiểu I), các số liệu cần thiết đã được xác định.

D t D Db Dl Do h Bu - lông d b z

D là đường kính ngoài mặt bích (mm) D b là đường kính đường bulong (mm).

D l là đường kính gờ bích (mm).

Dt Do là đường kính trong, ngoài của tháp (mm). db là đường kính bulong (mm). z là số bulong của một mặt bích h là chiều cao mặt bích (mm).

Trong bảng IX.5/170 của tài liệu ST2, tháp D có đường kính trong là 700 mm và khoảng cách giữa các mâm là 300 mm Khoảng cách giữa hai mặt nối bích được chọn là 1200 mm, với tổng số mâm giữa hai mặt bích là 4.

Để tính toán tháp chưng cất mâm chóp, 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 bị biến dạng và lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Theo bảng ST6_Bảng 7-2/146, áp suất tính toán là p tt = 0,17.

Với áp suất 0,3 N/mm² và nhiệt độ tính toán 100°C, vật liệu đệm được chọn là đệm bằng dây amiang, loại đệm phẳng Độ dày của đệm được xác định là 3 mm, phù hợp với điều kiện tối đa 300°C.

Theo ST2_Bảng XIII.31/433 và ST2_Bảng XIII.27/417, kích thước bề mặt đệm:

- Đường kính ngoài của đệm: D2 = 750 mm

- Đường kính trong của đệm: D 4 = 730 mm

2 Bích để nối các ống dẫn

Chọn vật liệu là thép CT3, kiểu 1, theo ST2_Bảng XIII.26/409, ta có bảng số liệu sau:

Dw Dbích Db D1 Bu - lông h l db z

3 Hơi vào tb ngưng tụ 70 76 160 130 110 M12 4 14 110

Tra ST2_Bảng XIII.30/432, tương ứng với ST2_Bảng XIII.26/409, kích thước bề mặt đệm bích ta được bảng số liệu sau:

Tai treo và chân đỡ

1 Tính sơ bộ khối lượng tháp

Thiết bị được chế tạo từ thép không rỉ (X18H0T) với khối lượng riêng 7,9 x 10^3 kg/m^3, bao gồm các thành phần như đĩa, chóp và ống hơi Bích ghép thân của thiết bị được làm từ thép CT3, có khối lượng riêng là ρ CT3 = 7,85 x 10^3 kg/m^3.

Khối lượng của nắp và đáy:

Xem khối lượng đáy bằng khối lượng nắp

Tra ST2_Bảng XIII.11/382 có khối lượng của đáy và nắp là như nhau: với đáy elip có

D t = 700 mm, chiều dày S nắp = 5 mm, chiều cao gờ h = 25 mm

Khối lượng của đáy và nắp: đá + ắ = 2 = 2.0,005.0,59.7900 = 46,61

Khối lượng của thân tháp:

Khối lượng của mâm: Bỏ qua khối lượng bị hụt do các lỗ trên mâm

Khối lượng của chóp: Bỏ qua khối lượng do các khe làm hụt

Khối lượng của ống hơi:

Chọn bề dày ống hơi bằng 2 mm ố ℎơ = ℎ ố ℎơ 10 18 4 (( ố ℎơ ) 2 à − ( ố ℎơ ) 2 )

Khối lượng ống chảy chuyền:

Chọn bề dày ống chảy chuyền bằng 2mm

Mỗi mâm sẽ có 2 ống chảy chuyền ố = ℎ ố 10 18 4 (( ố ) 2 à − ( ố ) 2 )

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com lượng riêng ρ X18H10T

Khối lượng của các bích ghép thân

Chọn số mâm giữa hai mặt bích là 4, vậy ta có 8 bích ghép thân

Khối lượng chất lỏng trong tháp:

Trường hợp xấu nhất tháp lụt 100%, chất lỏng ngập đầy tháp là nước do khối lượng riêng của nước luôn lớn hơn hỗn hợp methanol - nước.

Vậy tổng khối lượng của tháp là: m = m đáy+nắp + m thân + m mâm + ℎó + ố ℎơ + ố + m bích + ỏ

Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3, tấm lót là vật liệu làm thân:

Chọn số tai treo là 4

Tải trọng trên 1 tai treo là: do ta chọn 4 tai treo, 4 chân đỡ nên

Chọn tải trọng cho phép lên 1 tai treo là G N = 5000 N

Khối lượng một tai treo: m treo = 1,23 kg

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q = 0,69.10 6 (N/m 2 )

Chọn vật liệu chân đỡ là thép CT3.

Chọn tải trọng cho phép lên 1 chân là: G chân = 5000 N

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q = 0,29.10 6 (N/m 2 )

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại tuần hoàn nằm ngang Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 25x2 mm

Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo hình lục giác đều, 91 ống (ST2_V.11/49)

Nhiệt độ của nước vào là t LV = 25 o C, nhiệt độ đầu ra của nước là t LR = 40 o C

Dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ tại nhiệt độ tN = 65,03 o C

Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức: = ̅̅̅ (ST2_V.1/3)

Hiệu số nhiệt độ trung bình: ̅̅̅ ∆ 1 −∆ 2 (65,03−25)−(65,03−40)

Nhiệt lượng cần thiết để ngưng tụ sản phẩm ở đỉnh tháp:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:1

: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 K) : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m 2 K)

∑ : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m 2 K/W)

- Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống ( )

Các thông số của nước ở nhiệt độ trung bình =

= 995,2 kg/m 3 Độ nhớt động lực: à N = 0,765.10 -3 N.s/m 2

Vận tốc thực tế của nước trong ống:

→ Chế độ chảy quá độ, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

0 : phụ thuộc vào Re N , với Re N = 5108,7 thì 0 = 15,5

1 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re N tỷ lệ giữa chiều dài ống và đường kính ống, giả sử 1 = 1.

PrN: chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5 o C nên PrN = 4,75 (ST2_V.12/12)

Pr w : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình vách Suy ra Nu N = 44,72

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: = = 0,25.0,021 = (ST2_V.33/11)

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: = ( − ) = 1320,3 ( − 32,5) (*)

Với t w2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống)

* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:

: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và ∑ = + 2

= 2 mm: bề dày thành ống

= 17,5 (W/m o K): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) r = 1/5000 (m 2 o K/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4)

Suy ra: ∑ = 5,14.10-4 (m2.oK/W) Vậy qt = 1944,44 ( − ) (**)

* Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ

Trong đó: Ẩn nhiệt ngưng tụ: rhh = rD = 1107,85 (kJ/kg)

Hệ số cấp nhiệt ngoài thành ống chịu ảnh hưởng từ sự sắp xếp của ống Khi bố trí ống theo hình lục giác với 91 ống, số đường chéo của hình lục giác là 11 ống Theo tài liệu (ST2_Hình V.20/30), hệ số này được xác định là 0,55.

Nhiệt tải ngoài thành ống:

Từ (*), (**), (***) ta dùng phương pháp lặp để xác định 1 , 2 Chọn 1 = 58,35 o C

Tại nhiệt độ trung bình: = + 1 = 65,03+58,35

Khối lượng riêng hỗn hợp: {

ℎℎ ướ Độ nhớt động lực hỗn hợp: { ℎ = 0,346 10 −3 / 2 ướ = 0,46 10 −3 / 2

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: { ( ℎ ) = 2767,7 /

Hệ số dẫn nhiệt: ℎℎ = 3,58 10 −8 ℎℎ ℎℎ 3 √ ℎℎ ℎℎ độ

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = q1 = 15427,23 (W/m 2 )

Từ (**), ta có: t w2 = 50,42 o C Suy ra t tbw = 54,39 o C

Khi đó: = 899,1 (W/m2.oC) và = 4199,03 (W/m2.oC)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt: = = 367832,48 = 21,4 m 2 (ST2_V.1/3)

Chiều dài ống truyền nhiệt: = ( + )/2 = 2,99 ( )

Chọn chiều dài ống là 3 (m), thoả điều kiện L/d tr >50

Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,2.d ống = 1,2.0,025 = 0,03 (m) Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t.(b-1) + 4.dống = 0,03.(11 – 1) + 4.0,025 = 0,4 (m)

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống nằm ngang với cấu hình 1 pass phía vỏ và 4 pass phía ống Ống truyền nhiệt được chế tạo từ thép X18H10T, bao gồm 61 ống được sắp xếp theo hình lục giác thành 4 vòng, trong đó có 9 ống trên đường xuyên tâm.

Chọn đường kính ngoài của ống d ng = 0,025m, đường kính trong của ống d tr = 0,021m Bước ống, chọn : t = 1,2.d ống = 1,2.0,025 = 0,03 m Đường kính trong của thiết bị ống chùm ( ST2_V.141/49 )

Nhiệt độ vào là tv = 25 C và ra là tr = 40 C Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2 (ống ngoài) với nhiệt độ vào là t Dv = 65,03 C và nhiệt độ ra là t Dr = 40 C.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức:

Hiệu số nhiệt độ trung bình: ̅̅̅ ∆ 1−∆ 2 (65,03−40)−(40−25)

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: 1

: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 K) : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m 2 K)

* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đi trong ống

Các thông số của sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ t Dtb = (65,03 + 40)/2 = 52,52 o C:

Suất lượng đỉnh G D = 447,17/3600 = 0,124 (kg/s) Nhiệt dung riêng CD = 2726,34 (J/kg o C)

Hệ số dẫn nhiệt λ D = 0,206 W/m o C ( nội suy ST1_ bảng I.130/134)

Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống:

→ Chế độ chảy dòng, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

Tra ST1_Bảng I.235/285, hệ số giãn nỡ thể tích của sản phẩm đỉnh coi như là methanol ở 52,52 o C: = 1,25.10 3 o C -1

Với: 1: hệ số phụ thuộc vào Re D và tỉ số L/d tr Giả sử L/d tr > 50, nên 1= 1.

PrD: Chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 52,52 C

Hệ số cấp nhiệt của nước ngoài chùm ống :

Nhiệt tải phía nước lạnh:

* Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi ngoài ống

Các thông số của nước ở nhiệt độ trung bình tNtb = (tv + tr) = (25+40)/2 = 32,5 o C

Nhiệt dung riêng Cn = 4180,9 J/kg o C ( Nội suy ST1_Bảng I.147/165 ) Khối lượng riêng ρ n = 995,2 kg/m 3 ( Nội suy ST1_ Bảng I.2/ 9 ) Độ nhớt động lực μn = 0,765.10 -3 N.s/m 2 ( Nội suy ST1_Bảng I.101/91 )

Hệ số dẫn nhiệt λ n = 0,62 W/m o C ( Nội suy ST1_Bảng 129/133 ) ̅ ( − ′ ) 447,17.2726,34.(65,03−40)

Vận tốc thực tế của nước ở ngoài ống:

→ Chế độ chảy dòng, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

: hệ số tính đến ảnh hưởng của góc ( giả sử 90 o ) nên= 1.

Pr n : Chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5 o C, Pr n = 4,75 (ST2_ Hình V.12/12)

Pr w : Chuẩn số Prandlt của nước ứng với nhiệt độ trung bình của vách 46,4

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:

Nhiệt tải phía nước làm lạnh:

Với t w2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước ở phía trong ống.

Với: t w1 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu ở ngoài ống và ∑ ∑ = + 2

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ:= 17,5 (W/m o K) (ST3_Bảng 28/28)

Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống: r =1/5000 (m 2 o K/W) (ST2_V.1/4)

Từ (*),(**),(***) tính lặp để tìm t w1 và t w2

Các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ t w1 :

Hệ số dẫn nhiệt 1 = 0,208 / ( nội suy ST1_ bảng I.130/134)

Xem như nhiệt mất mát không đáng kể: qt = qD = 4710,26 (W/m 2 )

Kiểm tra sai số: = | − | 100% = 2,3% < 5% (thoả)

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

Bề mặt truyền nhiệt: ( ST6_3.72/192 )

Chọn chiều dài ống là 2 m, đường kính trong của vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,4 m.

Kiểm tra lại tỉ số L/D tr :

Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2, 7 ống

Dòng sản phẩm đáy, trước khi vào nồi đun có nhiệt độ tw1 = 99,08 o C, sau khi ra khỏi nồi đun là hơi ở nhiệt độ t w2 = 100 o C, đi ở ngoài

Dòng hơi nước ở áp suất 3 at ngưng tụ ở thơi = 132,7 o C, đi ở ống trong Nhiệt hoá hơi r h = 2171,29 (kJ/kg)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức: = ̅̅̅ (ST2_V.1/3)

Hiệu số nhiệt độ trung bình: ̅̅̅ ∆ 1 −∆ 2 (132,7−99,08)−(132,7−100)

Nhiệt lượng hơi đốt cung cấp cho nồi đun:

2 = 71603,52 (kJ/h) = 19889,87 (W) (đã tính ở cân bằng năng lượng)

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống (W/m 2 K)

ℎ : hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ (W/m 2 K)

* Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:

Với A là hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý của nước theo nhiệt độ

Nhiệt tải phía hơi nước:

* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy:

Do nồng độ methanol trong dòng sản phẩm đáy là rất nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy là nước:

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy trong nồi: tStb = (99,08+100)/2 = 99,54 o C

Khi sủi bọt trong thể tích lớn, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

Các thông số của nước ở t Stb = 99,54 o C, 1at là ( tra ở ST1)

Khối lượng riêng pha lỏng: = 958,32 kg/m 3 Khổi lượng riêng pha hơi, ta có:

22,4 22,4.(99,54+273) Độ nhớt động lực học:= 0,286 10 −3 N.s/m 2

Nhiệt hoá hơi: = 2258,61 kJ/kg

= 17,5 (W/m o K): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) r = 1/5000 (m1 2 o K/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4)

Từ (*), (**), (***), tính lặp để tìm tw1 và tw2

Ta tra được giá trị của A = 191,216 → q h = 41195,37 (W/m 2 )

Kiểm tra sai số: = | − ℎ | 100% = 1,69% < 5% (thoả)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt: = 2 = 19889,87 = 0,65 m 2

Chiều dài ống truyền nhiệt: = ( + )/2 = 1,18 ( ) (ST2_V.1/3)

→ Vậy chọn L = 1,5 (m), thoả điều kiện L/d tr >50.

Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống nằm ngang với cấu trúc 6 pass phía ống và 1 pass phía vỏ Ống truyền nhiệt được chế tạo từ thép X18H10T, với kích thước ống 16x2, tổng cộng 61 ống Đường kính ngoài của ống là dn = 16 mm, tương đương 0,016 m.

Bề dày ống: = 2 mm = 0,002 m Đường kính trong: dtr = 0,012 m

Hơi đốt là hơi nước ở 3 at, đi trong ống 16x2 Ta được các thông số:

Nhiệt hoá hơi: rnước = rn = 2171,29 kJ/kg

Dòng nhập liệu có nhiệt độ:

- Trước khi vào nồi đun (lỏng): 25 o C

- Sau khi được đun (hơi): 82,06 o C Suất lượng hơi nước cần dùng:

Hiệu số nhiệt độ trung bình:

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ̅̅̅ ∆ 1 −∆ 2 (132,7−25)−(132,7−82,06)

: hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m 2 K) : hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m 2 K)

1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và ∑ = + 2

= 17,5 (W/m o K): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) r = 1/5000 (m 2 o K/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4)

* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống: Tại nhiệt độ sôi trung bình của dòng nhập liệu: t Ftb = 53,53 o C

- Khối lượng riêng hỗn hợp: { ℎ = 761,82 / 3 ướ = 985,91 / 3

= 3,58 10 −8 3748,87.905,96 √ 20,72 = 0,428 / Độ nhớt của hỗn hợp: { ℎ = 0,38 10 −3 N s/ 2 ướ = 0,52 10 −3 N s/ 2

ℎℎ ℎ ướ kg độ Áp dụng công thức ST2_V.35/12, ta được:

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống:

→ Chế độ chảy rối, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước đi phía vỏ:

Hệ số cấp nhiệt ngoài thành ống bị ảnh hưởng bởi cách sắp xếp ống Khi bố trí ống theo hình lục giác với 61 ống, số đường chéo của hình lục giác là 9 ống Theo tài liệu (ST2_Hình V.20/30), hệ số này được xác định là 0,85.

Dùng phép lặp, chọn tF1 = 120,16 o C

Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: t m = 126,43 o C

Tại nhiệt độ này: 7,76 kg/m 3 ; = 0,225.10 -3 N.s/m 2 ; = 0,686 W/m.K

- Khối lượng riêng hỗn hợp: {

= 3,58 10 −8 3746,36.906,83 √ 20,72 = 0,429 / Độ nhớt của hỗn hợp: { ℎ = 0,386 10 −3 N s/ 2 ướ = 0,531 10 −3 N s/ 2

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp Áp dụng công thức ST2_V.35/12, ta được = = 4,37

Kiểm tra sai số: = | − | 100% = 3,38% < 5% (thoả)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt: = =

Với cách bố trí ống hình lục giác, cần 61 ống truyền nhiệt, trong đó có 9 ống trên đường chéo và 4 hình lục giác đồng tâm Bước ngang giữa hai ống được chọn là t = 1,25.d ng = 1,25.0,016 = 0,02 m Đường kính trong của vỏ thiết bị được xác định theo các thông số này.

Vậy chọn chiều dài ống L = 1,5 m, đường kính vỏ tiêu chuẩn D tr = 0,3 m

Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr:

Bồn cao vị

1 Tổn thất đường ống dẫn

Chọn ống dẫn có đường kính trong là dtr = 50 (mm)

Tra ST1_II.15/381 → Độ nhám của ống: = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít)

Tổn thất đường ống dẫn: ℎ 1 = ( 1 1 + ∑ 1 ) 2 ( )

1 : hệ số ma sát trong đường ống

1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn 1 = 30 (m)

: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn

1.1 Vận tốc dòng nhập liệu

Dòng nhập liệu là dung dịch methanol 30% ở nhiệt độ 25 o C có các thông số :

Khối lượng riêng= 932,25 kg/m3 Độ nhớt động lực = 1,605.10 -3 N.s/m 2

Năng suất nhập liệu F = 1500 kg/h

Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:

1.2 Xác định hệ số ma sát trong đường ống

→ Chế độ chảy quá độ, hệ số ma sát được xác định theo công thức:

1.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ

Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2 thì 1 = 0,15 Đường ống có 4 chỗ uốn → 1 = 0,15.4 = 0,6

- Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn: (1 á ) = 5; 2 van → = 5.2 = 10

- Lưu lượng kế: 11 = 0 ( coi như không đáng kể )

2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

2 : hệ số ma sát trong đường ống

2 : chiều dài đường ống dẫn, chọn 2 = 6 (m)

∑ 2 : tổng hệ số tổn thất cục bộ

2 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, 2 = 1,328 m/s 2.1 Xác định hệ số ma sát trong đường ống

Chuẩn số Reynolds: Re2 = 51667,51 > 10000: chế độ chảy rối Độ nhám: = 0,0002 m

Chuẩn số Reynolds giới hạn:

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

Vì ℎ < 2 < → chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức ST1_II.64/380: 2

2.2 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ

Có 1 chỗ đột thu → độ ℎ = 0,458

Có 1 chỗ đột mở → độ ở = 0,708 Nên: ∑ 2 = độ ℎ + độ ở = 1,166

2.3 Chiều cao bồn cao vị

- 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 của tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):

1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như chiều cao bồn cao vị H cv

2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu:

1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P 1 = 1 at = 9,81.10 4 (N/m 2 )

2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2)

1 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem 1 = 0 (m/s)

2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu, 2 = = 1,328 m/s

∑ ℎ 1−2 : tổng tổn thất trong hệ thống đường ống:

Bơm

Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu

Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):

1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn 1 = 0,5 m

2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, chọn 2 = = 4 m

1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn 1 = 1 at

2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2), chọn 2 = 1 at

1 , 2 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và (2-2), xem 1 = 2 = 0 m/s

∑ ℎ 1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)

Chọn đường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau d tr = 50 mm Tra ST1_II.15/381, độ nhám của ống = 0,0002 (m) (ăn mòn ít)

Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy: ∑ ℎ 1−2 = ( ℎ + đ + ∑ ℎ + ∑ ) 2

ℎ : chiều dài ống hút, ở 25 o C, tra bảng ST1_II.34/441, ta có chiều cao hút = 4,5 m → Chọn ℎ = 6 m

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp đ : chiều dài ống đẩy → chọn đ = 7,5 m

∑ ℎ và ∑ là tổng tổn thất cục bộ trong ống hút và ống đẩy : hệ số ma sát trong ống

4 : vận tốc dòng nhập liệu: =

1.1 Xác định hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy

Chuẩn số Reynolds tới hạn:

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

Vì ℎ < < → chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức ST1_II.64/380:= 0,1 (1,46 +

1.2 Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống hút

Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382 Chọn dạng ống uốn cong 90 o với R/d = 2 thì

1(1 ℎỗ) = 0,15 Ống hút có 2 chỗ uốn: 1 = 0,15.2 = 0,3

Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 1 = 5

1.3 Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy

Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382 Chọn dạng ống uốn cong 90 o với R/d = 2 thì

2(1 ℎỗ) = 0,15 Ống đẩy có 2 chỗ uốn: 2 = 0,15.2 = 0,3

Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 2 = 5

→ Vậy cột áp của bơm: 2 = ( 2 − 1 ) + ∑ ℎ 1−2 = (4 − 0,5) + 0,05 = 3,55 m

Chọn hiệu suất của bơm: = 0,8

Công suất thực tế của bơm: = 3600 = 1500.3,58.9,81 3600.0,8 = 18,29 ( ) = 0,025

Vậy để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có:

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ̅

Tiêu đề	Thiết Kế Kỹ Thuật Hóa Học Tính Toán Và Thiết Kế Tháp Chưng Cất Mâm Chóp Hệ Methanol – Nước
Tác giả	Nguyễn Mai Hiền Trinh
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Thị Như Ngọc
Trường học	Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2021
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	826,43 KB