THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 900 L.h-1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ 🙢✧🙠 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 900 L.h-1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Trương Thị Huyền Trang MSSV: B1606688 Ngành: CN Kỹ thuật hóa học - Khóa: 42 Tháng 11/2019 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i DANH SÁCH BẢNG iv DANH SÁCH HÌNH v LỜI CẢM ƠN vi LỜI MỞ ĐẦU vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược nguyên liệu 1.1.1 Ethanol 1.1.2 Nước 1.1.3 Hỗn hợp ethanol – nước 1.2 Chưng cất 1.2.1 Lý thuyết chưng cất 1.2.2 Thiết bị chưng cất CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Cơng nghệ chưng cất hệ ethanol – nước 2.2 Sơ đồ qui trình cơng nghệ CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 11 3.1 Các thông số ban đầu 11 3.2 Phương trình cân vật chất cho tồn tháp 11 3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu 13 3.4 Tỉ số hồn lưu thích hợp 13 3.5 Xác định phương trình đường làm việc 13 3.5.1 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất 13 3.5.2 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng 13 3.6 Số mâm lý thuyết 13 3.7 Xác định số mâm thực tế 14 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 17 4.1 Đường kính tháp ( D t ) 17 4.1.1 Đường kính đoạn cất 17 4.1.2 Đường kính đoạn chưng 19 4.2 Mâm lỗ - trở lực mâm 22 4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 22 4.2.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm 23 4.2.3 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động 27 4.3 Tính tốn khí tháp 29 4.3.1 Bề dày thân tháp 29 4.3.2 Đáy nắp thiết bị 30 4.3.3 Bích ghép thân, đáy nắp 32 4.3.4 Đường kính ống dẫn, thơng số bích ghép ống dẫn 33 4.4 Chân đỡ tai treo 39 4.4.1 Tính trọng lượng toàn tháp 39 4.4.2 Chân đỡ tháp 40 4.4.3 Tai treo 41 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ 42 5.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng hỗn hợp 42 5.2 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 43 5.3 Tính tốn thiết bị phụ 46 5.3.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 46 5.3.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 51 5.3.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 57 5.3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy 61 5.3.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 67 5.4 Tính bảo ơn thiết bị 72 5.5 Tính tốn bơm nhập liệu 73 5.5.1 Tính tốn chiều cao bồn cao vị 73 5.5.2 Chọn bơm nhập liệu 78 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CHI PHÍ 81 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 DANH SÁCH BẢNG Bảng 1-1 Các thông số vật lý ethanol Bảng 1-2: Các thông số vật lý nước Bảng 1-3: Thành phần lỏng (x)–hơi (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Ethanol–nước 760 mmHg Bảng 1-4: So sánh ưu nhược điểm loại tháp Bảng 3-1: Tóm tắt số liệu cân vật chất 16 Bảng 4-1: Tóm tắt thơng số đường kính tháp 22 Bảng 4-2: Tóm tắt thơng số mâm, trở lực tháp 28 Bảng 4-3: Các thông số bề dày tháp 30 Bảng 4-4: Thơng số bích ghép thân, đáy, nắp 33 Bảng 4-5: Bảng thơng số bích ghép ống nhập liệu 34 Bảng 4-6: Thơng số bích ghép ống đỉnh tháp 35 Bảng 4-7: Thơng số bích ghép ống hồn lưu 36 Bảng 4-8: Thơng số bích ghép ống dẫn vào tháp 37 Bảng 4-9: Thơng số bích ghép ống dẫn chất lỏng đáy tháp 38 Bảng 4-10: Thơng số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 38 Bảng 4-11: Kích thước chân đỡ 40 Bảng 4-12 Kích thước tai treo tháp 41 Bảng 5-1: Tóm tắt thơng số thiết bị làm ngưng tụ sản phẩm đỉnh 51 Bảng 5-2: Tóm tắt thơng số thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 57 Bảng 5-3: Tóm tắt thơng số nồi đun chất lỏng đáy tháp 61 Bảng 5-4: Tóm tắt thơng số thiết bị trao đổi nhiệt với dịng nhập liệu 67 Bảng 5-5: Tóm tắt thơng số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu 72 Bảng 6-1: Chi phí sơ hệ thống chưng cất 81 DANH SÁCH HÌNH Hình 1-1 Cơng thức phân tử ethanol Hình 1-2: Ứng dụng ethanol Hình 1-3: Giản đồ thành phần lỏng – hệ ethanol – nước 760 mmHg Hình 1-4: Hình dạng tháp mâm Hình 1-5: Hình dạng mâm chóp mâm xun lỗ Hình 1-6: Một số vật liệu chêm thường dùng tháp Hình 2-1: Sơ đồ qui trình cơng nghệ Hình 3-1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết 14 Hình 4-1: Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn [2] 31 Hình 4-2: Bích liền khơng cổ ghép thân, đáy, nắp [3] 33 Hình 4-3: Bích liền khơng cổ ghép ống dẫn với thiết bị [3] 34 Hình 4-4: Chân đỡ tháp (trang 437, [2]) 40 Hình 4-5: Tai treo thiết bị thằng đứng (trang 438, [2]) 41 LỜI CẢM ƠN Trong khoảng thời gian thực Đồ án Q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học, em nhận hướng dẫn góp ý đầy chân thành từ thầy Lương Huỳnh Vủ Thanh Với kiến thức kinh nghiệm chuyên môn dồi dào, thầy giúp em không học hỏi nhiều kiến thức quý báu thực tế lý thuyết mà cịn có thái độ phong cách làm việc nghiêm túc, chuyên nghiệp Nhờ vào điều mà em học tập làm việc cách chủ động học cách tìm hiểu vấn đề thực tế đến: Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành Thầy Lương Huỳnh Vủ Thanh, thầy trực tiếp hướng dẫn cho em lời bảo, nhận xét suốt trình thực đồ án Các thầy, cô Hội đồng Đồ án Quá trình thiết bị cho em lời khuyên, nhận xét bổ ích để giúp đồ án hồn thiện Các bạn tập thể lớp Cơng nghệ kỹ thuật hóa học K42 anh chị khóa K41 nhiệt tình giúp đỡ Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người bên cạnh động viên, ủng hộ, em vượt qua khó khăn sống Xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày 25 tháng 11 năm 2019 Trương Thị Huyền Trang LỜI MỞ ĐẦU Ngày khoa học kỹ thuật nói chung ngành cơng nghiệp hóa học nói riêng ngày phát triển không ngừng nhằm đáp ứng tốt nhu cầu sản xuất, tiêu dùng sinh hoạt người với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hoàn thiện hơn, là: đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ ethanol – nước hai cấu tử có nhiệt độ sôi chênh lệch khoảng 12 oC, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết ethanol Đồ án mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư hố - thực phẩm tương lai Mơn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Vì thế, đề tài đồ án mơn học "Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất liên tục hệ ethanol – nước" bước giúp cho sinh viên tập luyện chuẩn bị cho việc thiết kế Q trình Thiết bị cơng nghệ hố học Nhiệm vụ Đồ án thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất liên tục hệ ethanol – nước với nguồn nguyên liệu đầu vào khoai mì sau trình lên men chưng cất sơ đến 40 độ rượu (ở 15 oC) qua hệ thống chưng cất liên tục ta thu ethanol 96 độ (ở 15 oC) Chưng cất ethanol 96 độ nhằm sản xuất cồn công nghiệp ứng dụng cơng nghiệp tẩy rửa, vệ sinh dầu mỡ máy móc; công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, Các thông số nhập liệu ban đầu sau: suất nhập liệu 900 L/h, nồng độ nhập liệu 34,7% phân khối lượng (ứng với rượu 40 độ 15 oC), sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% phân khối lượng (ứng với rượu 96 độ 15 oC) độ thu hồi dung môi 99% Lưu ý: chỗ số mâm lý thuyết, k đc chọn số lỗ mâm mà phải tính diện tích mâm, chọn diện tích lỗ mâm (thường 60% dt mâm) từ suy số lỗ mâm Nếu làm theo viết chọn số lỗ trước, số lỗ nhiều, làm yếu mâm khó vẽ CAD Khi vẽ CAD tới phần gờ chảy tràn mâm, gờ k nhau, gờ lớn 50mm (theo hồ lê duyên), gờ phải ngắn gờ ngồi (thầy việt nói khoảng 20mm đc) CHƯƠNG 1: LƯU CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Sơ lược nguyên liệu Nguyên liệu hỗn hợp ethanol - nước với tỷ lệ khối lượng định bơm cao áp bơm nhập liệu vào tháp chưng cất trạng thay lỏng - sôi 2.1.1 Ethanol Hình 1-1 Cơng thức phân tử ethanol (Nguồn: https://www.vectorstock.com/royalty-free-vector/c2h5oh-ethanol-molecule-vector-8837810) Tên thường gọi rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan vô hạn nước Bảng 1-1 Các thông số vật lý ethanol Thông số vật lý Công thức phân tử CH3-CH2-OH Khối lượng phân tử 46 đvC Nhiệt độ sôi 760 mmHg 78,3 oC Khối lượng riêng D42 oC = 810 kg.m-3 Độ nhớt 20 oC μ = 1,2 cP Nhiệt độ nóng chảy T onc= -114,3 oC (Nguồn: https://vi.wikipedia.org/wiki/Ethanol) Ngày nay, ethanol có vai trị vị trí quan trọng ngành nhiên liệu sinh học, là thành phần quan trọng công nghiệp và sử dụng rộng rãi hợp chất hữu khác, làm th́c sát trùng, ethanol có sơn, cồn th́c, sản phẩm chăm sóc cá nhân nước hoa, chất khử mùi số ứng dụng khác QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Hình 1-2: Ứng dụng ethanol (Nguồn: https://dhanhcs.violet.vn/document/ung-dung-ruou-etylic-645229.html) 2.1.2 Nước Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) cần thiết cho sự sống Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hoà tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị Bảng 1-2: Các thông số vật lý nước Thông số vật lý Công thức phân tử HOH Khối lượng phân tử 18 đvC Nhiệt độ sôi 760 mmHg 100 oC Khối lượng riêng D42 oC = 1000 kg.m-3 Độ nhớt 20 oC μ = cP Nhiệt độ nóng chảy T onc= oC (Nguồn: https://vi.wikipedia.org/wiki/Nước) 2.1.3 Hỗn hợp ethanol – nước Hỗn hợp ethanol – nước là hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực tiểu có điểm đẳng phí ở atm là 89,4% mol ethanol ở 78,2 oC SVTH: Trương Thị Huyền Trang2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Suất lượng nước cần dùng: G N= b Q C 20742410 = =7651,2 (kg.s-1) rN 2711 Xác định bề mặt tuyền nhiệt F tb = Q K Δt log (V.1, trang 3, [2]) Xác định Δ t log : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: Δt Δ t 1− Δ t ( 120−81,3 )−( 120−84,5 ) =37,07 o Δt1 C 120−81,3 ln ln Δt2 120−84,5 log ( ) Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: K= 1 (W.m-2.độ-1) +∑ rt + αF αW (V.5, trang 4, [2]) Với: α F : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống (W.m-2.độ-1) α W : hệ số cấp nhiệt dịng sản phẩm đáy ống ngồi (W.m-2.độ-1) ∑ rt: nhiệt trở thành ống lớp cáu c Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống Vận tốc dòng nhập liệu ống: vF= GF 0,469 ⋅ = ⋅ =1,51 (m.s-1) ρF π d tr 895,26 π 0,0212 Chuẩn số Reynolds: ℜF ¿ v F d tr ρF 1,51.0,021 895,26 = =49411,17 > 104 (chế độ chảy độ) μF 576.1 0−3 Chuẩn số Nusselt: 0,8 N uF =0,021 ε1 R e P r 0,43 F ( ) PrF P r w1 0,25 (V.44, trang 16, [2]) (5-51) Trong đó: - ε 1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ℜF ❑ tỷ lệ chiều dài với đường kính ống ℜF ¿ 49411,17 , L 1,5 = =72>50 nên chọn ε 1=1 (bảng V.2, trang 15, [2]) d tr 0,021 SVTH: Trương Thị Huyền Trang65 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ - CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Pr F ❑: Chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 71 oC nên: μF C F 0,576.1 0−3 3828 Pr F ¿ = =4,56 λF 0,484 - (V.35, trang 12, [2]) (5-52) Pr w 1❑ : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu tính theo nhiệt độ trung bình vách N uF = Suy ra: 266,62 Pr 0,25 w1 ❑ Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu: α F= N u F λ F 266,62.0,484 129,04 = = 0,25 =6144,95 0,25 d tr 0,021 Pr w ❑ Pr w ❑ (5-53) Nhiệt tải phía dịng nhập liệu: q F =α F ( t w 1−t tbF )= 6144,95 ⋅ ( t w 1−71 ) =82,9 0,25 Pr w ❑ (5-54) Với t w 1: nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu Nhiệt tải qua thành ống nhỏ lớp cặn bẩn: q t= t w 1−t w (5-55) ∑ rt Trong đó: - t w 2: nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng sản phẩm đáy Bề dày thành ống: δ t =2 mm Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λ t=16,3 W.m-2.độ-1 (XII.7, trang 313, - Nhiệt trở lớp bẩn tường với nước sạch: r 1= - Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đáy: r 2= [2]) ⇒ ∑ r t= m2.K.độ-1 5000 m2.K.độ-1 5000 δt 0,002 1 −4 +r +r = + + =5,227.1 (m2.oK.độ-1) λ t 16,3 5000 5000 Vậy: q t= d t w 1−t w −4 5,227.1 W.m-2 Hệ số cấp nhiệt nước: Đường kính tương đương: d t đ =Dtr −Dng=0,034−0,025=0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước tính theo cơng thức: SVTH: Trương Thị Huyền Trang66 (5-56) TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ ( rN α N =0,725 A (t sN −t w )d t đ αN= ) 0,25 CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh ( 2711.1000 =0,725 A (120−t w ).0,009 ) 0,25 =98,8 90,725 A ¿¿ Nhiệt tải phía nước: q N =α N ( t sN −t W )=98,8 A ¿ (5-57) Chọn t w 1=91,223 oC, tính chất lý học rượu ngưng tụ tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ t w 1: - Nhiệt dung riêng (bảng I.154, trang 172, [1]): C R =3,963 kJ.kg-1.độ-1 Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [1]): ρ R=881,35 kg.m-3 Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [1]): μ R=0,41.1 0−3 N.s.m-2 Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [1]): λ R =0,52 W.m-1.độ-1 Pr w ¿ Khi đó: μR C R 0,41.1 0−3 3963 = =2,49 λR 0,52 (V.35, trang 12, [2]) Từ (5-54) (5-56) ta có: q t=q F= 438,64 ⋅ (91,223−829)=55022,198,16 (W.m-2) 0,25 2,49 −4 −4 t w 2=t w 1+ qt 5,227 =91,223+5200,198.8,22.1 =114,98 oC ⇒ t tbw= 119,98+120 =105,6 oC Tra bảng V.101, trang 29, [2] ta A=181,52 Từ (5-57) ta có: q N =988.181,552 (120−119,98)0,75=53004,16 (W.m-2) Kiểm tra sai số: ε= |q N −q F| |53004,16−55022,198| qN = 53004,16 ⋅100=3,6 %< % (thỏa điều kiện) Vậy t w 1=91,223 oC t w 2=119,98 oC Khi đó: α F = 129.0,1 =66127(W.m-2.độ-1) 0,25 2,49 α N =6643,67 (W.m-2.độ-1) Nên: K= =11 91,34 1 −4 (W.m2.độ-1) + 5,277.10 + 66126 6043,68 Bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 100570 1000 =0,632 (m2) 11 91,34.37,05 SVTH: Trương Thị Huyền Trang67 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Chiều dài ống truyền nhiệt: L= ,632 =1313 0,025+0,021 (m) π⋅ Chọn L=14 m (dự trữ khoảng 25%) Kiểm tra: L 14 = =625,54 >50 ε 1=1 (thỏa) d tr 0,021 Vậy thiết bị gia nhiệt thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L=14 m Chia thành dãy dãy dài m Bảng 5-5: Tóm tắt thơng số thiết bị trao đổi nhiệt với dịng nhập liệu Thơng số hiệu Kí Giá trị Loại thiết bị Đường kính ngồi ống Ống lồng ống dng 38 mm Bề dày ống ngồi Đường kính ống mm dtr 25 mm Bề dày ống bình mm Chiều dài ống L 2m Số dãy ống N dãy Hệ số truyền nhiệt K 1191,34 Bề mặt truyền nhiệt trung Ftb độ-1 W.m- 0,633 m2 6.4 Tính bảo ơn thiết bị Trong trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với khơng khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày lớn Để tháp hoạt động ổn định, với thông số thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun SVTH: Trương Thị Huyền Trang68 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh để tháp không bị nguội (nhất sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp) Khi đó, chi phí cho đốt tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí đốt ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp amiang có bề dày δ a Tra tài liệu tham khảo [2], hệ số dẫn nhiệt amiang λ a=0,15 W.m-1.độ-1 Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Q xq 2=0,05 D2 r 2=156,27=43,67 (kW) Nhiệt tải mát riêng: q m= Qxq λ λ = ⋅( t v1−t v )= a ⋅ Δt v f tb δ δa (IX.162, trang 198, [2]) (5-58) Với: - t v 1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt tháp - t v 2: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với khơng khí - Δt v : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Nhận thấy q m=const , nên chọn Δ t v = Δtđá y kkmax với t kk=30 oC, Δt v =1 20,787−30=90,787 oC - f tb: diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) f tb =π H D tb=π H (Dt +2 S t hâ n +2 δ a) (5-59) Suy ra: q m= Q xq 43,67 1000 0,15.90,787 = = ⇔ δa =0,00 (m) f tb π (0 , 5+2 0,004 +2 δ a ) δa Do lớp amiang thị trường có bề dày từ 2-3 mm nên ta chọn bề dày lớp bảo ôn δ a=12 mm, quấn thành lớp, lớp dày mm 6.5 Tính tốn bơm nhập liệu 6.5.1 Tính tốn chiều cao bồn cao vị Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu: d=50 mm Độ nhám ống: ε =0,1 mm (hình II.14, trang 380, [1]) Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình: t tbF = - t F +t 'F 84 ,5+ 81,3 = =82,905 oC 2 Khối lượng riêng: ρ F=895,26 kg.m-3 (bảng I.2, trang 9, [1]) Độ nhớt động học: μ F=57,6 0−3 N.s-1.m-2 (bảng I.101, trang 91, [1]) Vận tốc trung bình dòng nhập liệu ống dẫn: SVTH: Trương Thị Huyền Trang69 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ vF = a CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh GF 0,236 ⋅ = ⋅ =1,515 (m.s-1) ρF π d2tr 961,858 π 0,05 Tổn thất dọc đường ống ( ) l1 v 21 h1 = λ + ∑ ξ ⋅ (m) dF 2g (5-60) Trong đó: - λ 1: hệ số ma sát đường ống l 1: chiều dài đường ống dẫn, chọn l 1=15 m d F: đường kính ống dẫn (m) ∑ ξ1: tổng hệ số tổn thất cục v F =v 1: vận tốc dòng nhập liệu ống m.s-1 Xác định λ 1: Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ v F d tr ρF 1,515.0,05 895,26 = =11071,11 −3 μF ,576 Chuẩn số Reynolds tới hạn: ( ) ( ) ℜg h ¿ ⋅ d1 50 =6 ⋅ =7289,343 ε 0,1 (II.60, trang 378, [1]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: ℜn1 ¿ 220 ⋅ ( ) d1 =23,9.1 ε (II.61, trang 378, [1]) Suy ra: ℜg h ¿ ℜF ¿ ℜn 1❑: chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( → λ1=0,1 ⋅ 1,46 ⋅ ε 100 + d ℜF ❑ ) 0,25 ( =0,1 ⋅ 1,46 ⋅ 0,1 100 + 50 494,1417 ) 0,25 =0,002 (II.64, trang 380, [1]) Xác định ∑ ξ1 : Hệ số tổn thất dịng nhập liệu qua đường ống dẫn (khơng tính đoạn ống thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị gia nhiệt): - chỗ uốn cong: ξ u 1=3.0,1 5=0 , (trang 393, [1]) van cầu: ξ v 1=3.10=30 (van với độ mở hoàn toàn) lần đột thu: ξ t h u =0,5 (trang 387, [1]) lần đột mở: ξ m=1 (trang 387, [1]) lưu lượng kế: không đáng kể Suy ra: ∑ ξ1=31,85 Vậy tổn thất dọc đường ống dẫn: SVTH: Trương Thị Huyền Trang70 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ ( h1 = 0,0 02 ⋅ b CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh ) 15 1,5152 +11,85 ⋅ =1,029 (m) 0,05 2.9,81 Tổn thất đường ống thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy ( ) l2 v 22 h2 = λ + ∑ ξ ⋅ d2 2g (5-61) Với: - λ 2: hệ số ma sát đường ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy l 2: chiều dài đường ống dẫn, l 2=1 m d 2: đường kính ống dẫn, d 2=0,021m ∑ ξ2: tổng hệ số tổn thất cục v F =v 2: vận tốc dòng nhập liệu ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy v F =1,516 m.s-1 Xác định λ 2: Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ 49411,17> 10 Chuẩn số Reynolds tới hạn[1] ( ) ( ) ℜg h ¿ ⋅ d2 21 =6 ⋅ =2704,682 ε 0,1 (II.60, trang 378, [1]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám ( ) ( ) d2 21 ℜn1 ¿ 220 ⋅ =220 ⋅ =90140,38 ε 0,1 (II.61, trang 378, [1]) Suy ra: ℜg h ¿ ℜF ¿ ℜn 1❑: chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( → λ2=0,1⋅ 1,46 ⋅ ε 100 + d2 ℜ F ❑ ) 0,25 ( =0,1 ⋅ 1,46 ⋅ 0,1 100 + 21 49411,17 ) 0,25 =0,03 (II.64, trang 380, [1]) Xác định ∑ ξ2 : Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua thiết bị trao đổi nhiệt: - chỗ uống cong quay ngược: ξ u 2=3,22=6,6 lần đột thu: ξ t h u 2=0,46 lần đột mỡ: ξ m 2=0,68 Suy ra: ∑ ξ2 =724 Vậy tổn thất đường ống dẫn: ( h2 = 0,03 ⋅ ) 15 1,516 +724 ⋅ =3,48 (m) , 021 2.9,81 SVTH: Trương Thị Huyền Trang71 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ c CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu ( h = λ3 ) l3 v 23 +∑ ξ ⋅ d3 2g (5-62) Với: λ 3: hệ số ma sát đường ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy l 3: chiều dài đường ống dẫn, l 3=15 m d 3: đường kính ống dẫn, d 3=0,021 m ∑ ξ3: tổng hệ số tổn thất cục v F =v 3: vận tốc dòng nhập liệu ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy v F =1,519 m.s-1 - Xác định λ 3: Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ 49411,7> 10 Chuẩn số Reynolds tới hạn [1] ( ) ( ) d 87 21 87 ℜg h ¿ ⋅ =6 ⋅ =2704,682 ε 0,1 (II.60, trang 378, [1]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám ( ) ( ) d3 21 ℜn1 ¿ 220 ⋅ =220 ⋅ =90140,38 ε 0,1 (II.61, trang 378, [1]) Suy ra: ℜg h ¿ ℜF ¿ ℜn 1❑: chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( ε 100 → λ3=0,1⋅ 1,46 ⋅ + d3 ℜF ❑ ) 0,25 ( 0,1 100 =0,1 ⋅ 1,46⋅ + 21 32333,163 ) 0,25 =0,032 (II.64, trang 380, [1]) Xác định ∑ ξ3 : Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua thiết bị trao đổi nhiệt: - chỗ uống cong quay ngược: ξ u 3=4.2,8=8,8 lần đột thu: ξ t h u 3=0,46 lần đột mỡ: ξ m 3=0,68 Suy ra: ∑ ξ2 =9,94 Vậy tổn thất đường ống dẫn: ( h3 = 0,037 ⋅ ) 1,512 + 9,94 ⋅ =3,74 (m) 0,021 2.9,81 Chọn: - Mặt cắt (1 - 1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị SVTH: Trương Thị Huyền Trang72 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ - CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Mặt cắt (2 – 2) mặt cắt vị trí nhập liệu đáy tháp Áp dụng phương trình Bernolli cho hai mặt cắt: z 1+ P1 v P v + =z 2+ + + ∑ h f 1−2 ρF g g ρF g g (5-63) P2−P v 2−v z 1=z 2+ + + ∑ h f 1−2 ρF g g Hay: Với: - z 1: độ cao mặt thoáng (1 – 1) so với mặt đất hay chiều cao bồn cao vị H cv =z1 z 2: độ cao mặt thoáng (2 – 2) so với mặt đất hay chiều cao vị trí nhập liệu z 2=h ch a â n đỡ +hđ a ù y + ( N c höng +1 ) ( hma â m +δ ma â m ) ⇒ z 2=0 , 35+0,125+(8+1).(0,25+0,002)=2,7 43 (m) - P1: áp suất mặt thoáng (1 – 1), chọn P1=1 at P2: áp suất mặt thoáng (2 – 2) v1: vận tốc mặt thoát (1 – 1), xem v1 =0 m.s-1 v 2: vận tốc vị trí nhập liệu, v 2=v F=1 , 16 m.s-1 ∑ hf −2: tổn thất đường ống từ (1 – 1) đến (2 – 2) ∑ hf −2 =h1 +h2 +h3 =1,029+9,48+3,74=8,25 (m) Xem: ΔP=P2−P 1=N caá t htl =17.521,438=8864,446 (N.m-2) Vậy chiều cao bồn cao vị là: 2 P 2−P1 v 2−v H cv =8,25+ + + ∑ hf 1−2 ρF g g ⇒ H cv =2,788+ 8864,446 0,125 + +1,447=5,175 (m) 961,858.9,81 2.9,81 Dung dịch nhập liệu chảy liên tục từ bồn cao vị vào vị trí nhập liệu tháp chưng cất độ cao bồn cao vị từ 5,175 m trở lên Ta chọn khoảng cách từ mặt đất đên bồn cao vị 8m 6.5.2 Chọn bơm nhập liệu Lưu lượng nhập liệu: G F=0,9 m3.h-1 mm Chọn bơm có suất Qb=2 m3.h-1 với đường kính ống hút, ống đẩy 50 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với hiệt độ trung bình: t 'F =30 oC - Khối lượng riêng: ρ F=974,882 kg.m-3 (bảng I.2, trang 9, [1]) SVTH: Trương Thị Huyền Trang73 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ - CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Độ nhớt động lực: μ F=0,929.10−3 N.s.m-2 (bảng I.101, trang 91, [1]) Vận tốc dòng nhập liệu ống đẩy ống hút: v h=v d = 4.Q d 3600 π d h = 4.2 =0,283 (m.s-1) 3600 π 0,0 Tổng trở lực ống hút ống đẩy: ( ) l h+l d vh h hd = λ + ∑ ξ h+ ∑ ξ d ⋅ dh 2g (5-64) Trong đó: - l d : chiều dài ống đẩy, chọn l d =12 m l h: chiều dài ống hút, chọn l h=2 m ∑ ξh: tổng tổn thất cục ống hút ∑ ξd : tổng tổn thất cục ống đẩy λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Xác định λ : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: ℜ¿ v h d h ρ F 0,283.0,05.974,882 = =14848,849 −3 μF 0,929.1 Chuẩn số Reynolds tới hạn: ( ) ( ) 8 dh 50 ℜg h ¿6 ⋅ =6 ⋅ =7289,343 ε 0,1 (II.60, trang 378, [1]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: ( ) ( ) dh 50 ℜn h ¿ 220 ⋅ =220⋅ =239201,52 ε 0,1 Suy ra: ℜg h ¿ ℜF ¿ ℜn h ❑: chế độ chảy rối (khu vực độ): λ=0,1 ⋅¿ Xác định ∑ ξh : Hệ số tổn thất cục ống hút: - van cầu: ξ v h=10 lần đột thu: ξ t =0,5 ⇒ ∑ ξh =10+0,5=10,5 Hệ số tổn thất cục ống đẩy: - van cầu: ξ v h=10 lần uốn ống: ξ=2.0,11=0,22 lần đột mở: ξ m=1 SVTH: Trương Thị Huyền Trang74 (II.61, trang 378, [1]) TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh ⇒ ∑ ξd =¿ 10+0,22+1=11,22¿ Vậy tổn thất ống hút ống đẩy: ( h hd = 0,031⋅ ) 2+12 0,283 + 10,5+11,22 ⋅ =0,124 (m) 0,05 2.9,81 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 Bernolli cho hai mặt cắt: z 1+ P1 v1 P2 v2 + + H b =z 2+ + + ∑ h f 1−2 ρF g g ρF g g Với: - z 1: độ cao mặt thoáng (1 – 1) so với mặt đất z 2: độ cao mặt thoáng (2 – 2) so với mặt đất P1: áp suất mặt thoáng (1 – 1), chọn P1=1 at P2: áp suất mặt thoáng (2 – 2), chọn P2=1 at v1 , v 2: vận tốc mặt thoáng (1 – 1) (2 – 2), xem v1 =v 2=0 m.s-1 ∑ hf 1−2=hh d: tổng tổn thất ống từ (1 – 1) (2 – 2) H b : cột áp bơm ⇒ H b =(z 2−z )+ hh d =H cv +hh d =8+ 0,124=8,124 (m) Chọn hiệu suất bơm: ηb =0,8 Công suất thực tế bơm: Nb= Qb H b ρ F g 2.8,124 974,882 9,81 = =53,955 (W) 3600.ηb 3600.0,8 Kết luận: để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn máy bơm ly tâm Ebara 3M 32-160/1.5 với công suất 1,5 kW, lưu lượng 100 L.phút -1, đường kính hút – xả từ 4260 mm rượu nguyên chất chất không độc hại SVTH: Trương Thị Huyền Trang75 CHƯƠNG 7: TÍNH TỐN CHI PHÍ Tính sơ giá thành vật liệu hệ thống chưng cất: Bảng 6-1: Chi phí sơ hệ thống chưng cất Vật liệu Số lượng Đơn giá đv) nhiệt (VNĐ/ Thành tiền (VNĐ) Thép X18H10T 970 kg 25 000 24 250 000 Thép CT3 37 kg 15 000 555 000 Bu lông M12 16 500 24 000 Bu lông M16 168 000 504 000 Áp kế 600 000 600 000 Nhiệt kế 150 000 750 000 Lưu lượng kế 000 000 000 000 Bơm li tâm 16 427 000 16 427 000 Vật liệu cách 37 m2 325 000 12 025 000 Van 29 29 000 841 000 Ống 25 mm 360 m 15 000 400 000 Ống 35 mm 24 m 20 000 480 000 Ống 50 mm 100 m 25 000 500 000 Ống 100 mm 50 m 40 000 000 000 Nối 25 mm 36 m 30 000 080 000 Nối 35 mm 24 m 50 000 200 000 Tổng cộng 74 336 000 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Vậy số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị 74 336 000 (VNĐ) SVTH: Trương Thị Huyền Trang77 KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu trao đổi với thầy hướng dẫn bạn, em học tập hiểu số vấn đề: - - Thiết kế hệ thống chưng cất ethanol – nước với thiết bị tháp mâm xun lỗ tương đối hồn chỉnh biết trước lưu lượng nhập liệu, nồng độ nhập liệu nồng độ sản phẩm đáy, độ thu hồi sản phẩm đỉnh Tính tốn tương đối chi tiết trình làm việc thiết bị khả chịu bền thiết bị tính ăn mịn học, hố học vật lí, điều kiện làm việc thiết bị Tính tốn sơ tổng chi phí đầu tư cho hệ thống chưng cất rượu ethanol Đặc tính kỹ thuật thiết bị chưng cất thiết kế ứng với thông số cho ban đầu: Tỉ số hồn lưu thích hợp: R=1,714 Số mâm chưng cất thực tế: 27 mâm ( 19 mâm cất, mâm chưng mâm nhập liệu) Đường kính tháp chưng cất: 400 (mm) Đường kính lỗ mâm: (mm) Bề dày mâm: (mm) Số lỗ mâm: 1657 lỗ Trở lực toàn tháp: 13506,367 (N.m-2) Khoảng cách hai mâm: 250 (mm) Chiều cao gờ chảy tràn: 50 mm Chiều cao tháp: 7,85 (m) Thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, có bề dày: (mm) Bích ghép thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, loại bích liền khơng cổ Bích ghép ống dẫn làm thép CT3, loại bích liền khơng cổ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Bang –Vũ Bá Minh, Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học, truyền khối tập 3, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh 2010 [2] Phạm Xuân Toản, Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm [3] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1999 [4] Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1999 [5] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật chưng cất nhiều cấu tử, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TPHCM, 2008 [6] Hồ Lê Viên, Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 [7] Nguyễn Bin, Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2002 [8] Phan Văn Bơn, Q trình thiết bị công nghệ thực phẩm, Bài tập truyền nhiệt, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2002 [9] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, Các nguyên lý ứng dụng tập 1, Nhà xuất Bách khoa – Hà Nội, 2012