luận văn: : “thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.” pdf

ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol 99%.” ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải MỤC LỤC trang LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT Phương pháp chưng cất Thiết bị chưng cất: II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU Etanol Nước Hỗn hợp Etanol – Nước III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Tỉ số hồn lưu thích hợp IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng Số mâm lý thuyết V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính đoạn cất Đường kính đoạn chưng II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM Cấu tạo mâm lỗ ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Độ giảm áp pha khí qua mâm Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động : III TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP Bề dày thân tháp : Đáy nắp thiết bị : Bích ghép thân, đáy nắp : Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn : Tai treo chân đỡ: CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy Thiết gia nhiệt nhập liệu II TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU Tính chiều cao bồn cao vị Chọn bơm CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ II KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung, ngành cơng nghiệp hóa học Đặc biệt ngành hóa chất Hiện nay, nhiều ngành sản suất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất nhu cầu sử dụng Ngày nay, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol - Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol Đồ án mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư hố- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u 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 Nhiệm vụ ĐAMH thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol 99% Em chân thành cảm ơn q thầy môn Máy & Thiết Bị, bạn sinh viên giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên, q trình hồn thành đồ án khơng thể khơng có sai sót, em mong q thầy góp ý, dẫn CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: Phương pháp chưng cất : ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Chưng cất qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay - ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất q trình dung mơi chất tan bay hơi, cịn đặc q trình có dung mơi bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hệ cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước etanol Các phương pháp chưng cất: phân loại theo:  Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sơi cấu tử q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử  Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) liên tục * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp đuợc sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) trình thực liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn  Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Vậy: hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có u cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vaò lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng cơng nghiệp lọc hố dầu Kích thước tháp : đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm  Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chép dạng:trịn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm  Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự * So sánh ưu nhược điểm loại tháp : Tháp chêm Ưu điểm: - Đơn giản - Trở lực thấp Nhược điểm: - Hiệu suất thấp - Độ ổn định Tháp mâm xuyên lo - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Trở lực cao - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng - Thiết bị nặng Tháp mâm chóp - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn - Không làm việc với chất lỏng bẩn Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ trạng thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu hỗn hợp Etanol - Nước Etanol: (Còn gọi rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm) Etanol có cơng thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều nước  Một số thông số vật lý nhiệt động etanol: + Nhiệt độ sôi 760(mmHg): 78.3oC + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3)  Tính chất hóa học: ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Tất phản ứng hoá học xảy nhóm hydroxyl (-OH) etanol thể tính chất hố học * Phản ứng hydro nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ Hằng số phân ly etanol: K CH −CH −OH = 10 −18 , etanol chất trung tính + Tính acid rượu thể qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat −14 Do K CH −CH −OH < K H O = 10 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối Natri etylat tan nước bị thuỷ phân thành rượu trở lại + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester Lạnh CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2-OH + HO-SO3-H 3 2 + CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H CH3-COO-C2H5 + H2O * Phản ứng nhóm hydroxyl: + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH H2SO4 (CH3-CH2)2O Al2O3 t C2H5-NH2 + H2O o + H2 O o CH3-CH2-OH >150 C H2SO4 CH2=CH2 + H2 O o >150 C * Phản ứng hydro oxy hoá: CH3-CH2-OH Cu CH3-CHO + H2 o 200-300 C  Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng metanol, đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân Nó nguyên liệu dùng để sản suất 150 mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành: cơng nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ nông nghiệp + Công nghiệp cao su tổng hợp + Dung môi hữu cơ:pha sơn + Động lực + Nguyên liệu + Rượu mùi + Dấm Nhiên liệu ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải + Thuốc súng khơng khói + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay Sơ đồ tóm tắt vị trí etanol ngành cơng nghiệp  Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen ester etanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ hợp chất kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: C6 H O 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Nấm men Trong đó: 95%Zymaza liệu chuyển thành etanol CO2 nguyên 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic acid hữu cơ(lactic, butylic…) Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g / mol Khối lượng riêng d4 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 0C Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung mơi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp Etanol – Nước: ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Etanol Nước 760 mmHg: x(%phân mol) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 o t( C) Hệ Etanol -Nước y(%mol) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 x(%mol) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol chất lỏng tan vô hạn H2O, nhiệt độ sôi 78,30C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100oC 760mmHg : cách biệt xa nên phương pháp hiệu để thu etanol có độ tinh khiết cao phương pháp chưng cất Trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp cô đặc cấu tử có khả bay hơi, khơng sử dụng phương pháp trích ly phương pháp hấp thụ phải đưa vào khoa để tách, làm cho q trình phức tạp hay q trình tách khơng hồn tồn * Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích kí hiệu qui trình: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Lưu lượng kế Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Bẩy Tháp chưng cất Nhiệt kế 10 Ap kế 11 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 12 Nồi đun 13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 14 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 15 Bồn chứa sản phẩm đáy 16 Bộ phận phân dòng * Thuyết minh qui trình cơng nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 280C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp 10 ĐAMH Q Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.20) * Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống nhỏ: Vận tốc nước ống ngoài: vW = GW 1006,76 = 2 3600.ρ W π ( D tr − d ng ) 3600.971,8 π (0,034 − 0,025 2) = 0,69(m/s) Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Chuẩn số Reynolds : v d ρ 0,69.0,009.971,8 Re W = W td W = = 16289,9 > 104 : chế độ chảy rối, −3 µW 0,355.10 cơng thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: NuW = 0,021.ε l ReW 0,8 PrW 0, 43 ( PrW 0, 25 ) Prw1 Trong đó: + εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=16289,9 ,chọn εl =1 + PrW : chuẩn số Prandlt sản phẩm đáy ˆ80oC, xem sản phẩm gần nước nên PrW = 2,21 Suy ra: NuW = 70,114 Prw1 0, 25 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống ngoài: NuW λW 70,114.0,675 5258,569 αW = = = 0, 25 , 25 d td Prw1 0,009 Prw1 Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: qW = α W (t tbD − t w1 ) = 5258,569 Prw1 0, 25 (80 − t w1 ) (W/m2) (IV.21) Chọn: tw1 = 72,1oC : Khi xem:Prw1 ~ 2,487 (tra tw1) Từ (IV.21): qW = 5258,569 (80 − 72,1) = 33080,779 (W/m ) 0, 25 2,487 Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =33080,779 (W/m2) qt =55,087oC 1944,444 72,1 + 55,087 o = = 63,594 C Từ (IV.20), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = t w1 + t w 2 Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 63,594 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 3,947 (KJ/kg.độ) 46 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải + Độ nhớt động lực: µR = 0,6987.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,5479 (W/moK) c µ 3947.0,6987.10 −3 = 5,033 Khi đó: Prw2 = R R = λR 0,5479 Từ (IV.19): qF = 4822,267 (55,087 − 43,275) = 33174,028 (W/m ) 0, 25 5,033 Kiểm tra sai số: ε= qW − q F qW = 33080,779 − 33174,028 33080,779 =0,282% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 72,1oC tw2 = 55,087oC 5258,569 2o = 4187,440 (W/m C) , 25 2,487 4822,267 2o αF = = 3219,529 (W/m C) 0, 25 5,033 2o Từ (IV.18): K = = 940,145 (W/m C) 1 + + 3219,529 1944,444 4187,440 Khi đó: α W = Từ (IV.17), bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 46,926.1000 = 1,367 (m2) 940,145.35,119 Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L= 1,367 = 18,9 (m) 0,025 + 0,021 π Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 20%) Kiểm tra: L 20 = = 952,38 > 50 εl = 1: thoả d tr 0,021 Vậy: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20(m), chia thành 10 dãy, dãy dài (m) Thiết gia nhiệt nhập liệu : Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ong truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong:25x2; kích thước ống ngồi: 38x2 Dịng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t”F =58,55oC ,nhiệt độ cuối: tF =84,85oC Chọn đốt nước at, ống 38x2(ống ngoài) Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: + Nhiệt độ sôi: tsN = 100oC + An nhiệt ngưng tụ: rN = 2260 (KJ/kg) 47 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = t " F +t F =71,7oC: + Nhiệt dung riêng: cF = 3,968 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: ρF = 937,58 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,5786.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,5652 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu: Qc = GF 1500 cF.(tF – t”F) = 3,968.(84,85 –58,55)=43,48 (KW) 3600 3600 Suất lượng nước cần dùng: GhN = Qc 43,48 = = 0,0192 (Kg/s) rN 2260 b Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = Qt K ∆t log ,(m2) (IV.22) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit  Xác định ∆tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆t log =  (100 − 58,55) − (100 − 84,85) o = 23,832 ( K) 100 − 58,55 Ln 100 − 84,85 Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: K= 1 + Σrt + ,(W/m2.oK) (IV.23) αF αN Với: + αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + αN : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + ∑rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dịng nhập liệu ống ngồi: vF = GF 1500 = = 1,2825 (m/s) 3600.ρ F π d ng 3600.937,58 π 0,0212 Chuẩn số Reynolds : 48 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Re F = GVHD : Lê Xuân Hải v F d td ρ F = 1,2825.0,009.937,58 = 4366261 > 104 : chế độ chảy −3 0,5786.10 µF rối, cơng thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nu F = 0,021.ε l Re F 0,8 PrF 0, 43 ( PrF 0, 25 ) Prw2 Trong đó: + εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReF=4366262,chọn εl =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 74,033oC, nên c µ 3968.0,5786.10 −3 PrF = F F = = 4,062 λF 0,5652 Suy ra: Nu F = 249,521 Prw 0, 25 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Nu F λ F 249,521.0,5652 6715,679 αF = = = 0, 25 0, 25 d td Prw 0,009 Prw Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F = α F (t w2 − t tbF ) = 6715,679 Prw2 0, 25 (t w2 − 71,7) (W/m2) (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt = t w1 − t w2 , (W/m2) Σrt Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) δ + Σrt = t + r1 + r2 λt Bề dày thành ống: δt = 2(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép khơng gỉ: λt = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.25) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo cơng thức: 49 ĐAMH Q Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải  rN αN= 0,725 A.  (t − t ).d  sN w1 td 91,265 A = (100 − t w1 ) 0, 25     , 25  2260.1000  = 0,725 A.  (100 − t ).0,009   w1   , 25 Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: q N = α N (t sN − t w1 ) = 91,265 A.(100 − t w1 ) , 75 (W/m ) (IV.26) Chọn: tw1 = 97,15oC : Khi đó, nhiệt độ trung bình 100 + 97,15 = 98,575oC ta tra A = 178,36 Từ (IV.26): qN =91,265.178,36.(100 – 97,15)0,75 = 35705,52(W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =35705,52 (W/m2) qt =78,79oC 1944,444 97,15 + 78,79 o = = 88,06 C Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = t w1 + t w 2 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 88,06 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 4,0204 (KJ/kg.độ) + Độ nhớt động lực: µR = 0,4517.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,588 (W/moK) c µ 4,0204.0,4517.10 −3 Khi đó: Prw2 = R R = = 3,088 λR 0,588 Từ (IV.24): qF = 6715,679 (78,79 − 71,7) = 35903,98 (W/m ) 0, 25 3,088 Kiểm tra sai số: ε= qN − q F qN = 35705,52 − 35903,98 35903,98 =0,56% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 97,15oC tw2 = 78,79oC 91,265.178,36 2o = 12868,909 (W/m C) , 25 (100 − 97,15) 6715,679 2o αF = = 5066,063 (W/m C) 0, 25 3,088 2o Từ (IV.23): K = = 1266,810 (W/m C) 1 + + 5066,063 1944,444 12868,909 Khi đó: α N = 50 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 43,48.1000 = 1,314 (m2) 1266,81.26,13 Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L= 1,314 = 18,18 (m) 0,025 + 0,021 π Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 20%) Kiểm tra: 20 L = = 952,38 > 50 εl = 1: thoả d tr 0,021 Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20(m), chia thành 10 dãy, dãy dài (m) II TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU: Tính chiều cao bồn cao vị: Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám ống ε=0,1(mm) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = t F + t'F = 56,425 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 947,513 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,7978.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: vF = QF 1500 = = 0,217 (m/s) 3600.ρ F π d 3600.947,513 π 0,05 a Tổn thất đường ống dẫn:  l v h1 =  λ1 + Σξ1  F  d  2.g   (m) Với: + λ1 : hệ số ma sát đường ống + l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20(m) + d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,05(m) + ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục + vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, vF = 0,149(m/s) * Xác định λ1 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: v d ρ 0,217.0,05.947,513 Re1 = F F = = 13253,3 µF 0,7978.10 −3 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 51 ĐAMH Q Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải 8  50  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh1= 6.  = 6.  =7289,343 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  50  d  Ren1= 220.  = 220.  =23,9.104 ε   0,1  Suy ra: Regh1 < Re1< Ren1: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ1= 0,1.1,46 +  d1 Re    , 25 = 0,0345 * Xác định ∑ξ1: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 10 chỗ uốn cong: ξu1=10.1,1 = 11 + van (van cầu): ξv1= 3.10 = 30 + lần đột thu: ξt1 = 0,5 + lần đột mở: ξm1 = + lưu lượng kế: ξl1 = (không đáng kể) Suy ra: ∑ξ1 = ξu1 + ξv1 + ξt 1+ ξm1 + ξl1 = 42,5  Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1=  0,0345   20  0,217 + 42,5   2.9,81 =0,135(m) 0,05  b Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt:  v l h2 =  λ2 + Σξ   d  2.g   (m) Với: + λ2 : hệ số ma sát đường ống + l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 20(m) + d2 : đường kính ống dẫn, d2 = 0,021(m) + ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục + v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v2 = 1,26(m/s) * Xác định λ2 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.4) Re2= 32320,9 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh2= 6.  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren2= 220.  = 220.  =90140,38 ε   0,1  52 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Suy ra: Regh2 < Re2 < Ren2: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ2= 0,1.1,46 +  d Re    , 25 = 0,0334 * Xác định ∑ξ2: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq2=9.2,2 = 19,8 + chỗ uốn cong: ξu2= 1,1 + lần co hẹp: ξc2 = 0,385  0,0212 + lần mở rộng: ξm2 = 1 −  0,05    = 0,6783   Suy ra: ∑ξ2 = ξu2 + ξq2 + ξc2+ ξm =21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt: h2= 20   1,26 + 21,963  =4,217(m)  0,0334 0,021  2.9,81  c Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu:   v2 l h3 =  λ3 + Σξ   d  2.g   (m) Với: + λ3 : hệ số ma sát đường ống + l3 : chiều dài đường ống dẫn, l3 = 20(m) + d3 : đường kính ống dẫn, d3 = 0,021(m) + ∑ξ3 : tổng hệ số tổn thất cục + v3 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v3 = 1,2825(m/s) * Xác định λ3 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.5) Re3= 32898,059 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh3= 6.  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren3= 220.  = 220.  =90140,38 ε   0,1  Suy ra: Regh3 < Re3 < Ren3: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ3= 0,1.1,46 +  d Re    , 25 = 0,0319 * Xác định ∑ξ3: 53 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq3=9.2,2 = 19,8 + chỗ uốn cong: ξu3= 1,1 + lần co hẹp: ξc2 = 0,385  0,0212 + lần mở rộng: ξm2 = 1 −  0,05    = 0,6783   Suy ra: ∑ξ3 = ξu3 + ξq3 + ξc3+ ξm =21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt: h3= 20   1,2825 + 21,963  =4,388(m)  0,0319 0,021   2.9,81 Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị + Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Ap dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + 2 P1 P v v + = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g g ρ F g g hay z1 = z2 + P2 − P1 v − v1 +∑hf1-2 + ρ F g g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1 + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất: z2 = hchân đỡ + hnắp + (Nchưng+1) (h + δmâm ) = 0,145 + 0,215 + 11.(0,3 + 0,003) = 3,693 (m) + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆P=P2 –P1 =Ncất htl = 42 419,25 = 17608,5 (N/m2) + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0(m/s) + v1 : vận tốc vị trí nhập liệu, v1 = vF = 0,217 (m/s) + ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 0,135 + 4,217 + 4,388 = 8,74(m) Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + P2 − P1 v − v1 +∑hf1-2 + ρ F g g =3,693 + 17608,5 0,217 − + + 8,74 947,513.9,81 2.9,81 = 14,274(m) Chọn Hcv = 15(m) Chọn bơm: 54 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải GF Lưu lượng nhập liệu: VF = = 1500 = 1,539 (m3/h) 947,513 ρF Chọn bơm có suất Qb = 1,7 (m3/h).Đường kính ống hút, ống đẩy 21(mm),nghĩa chọn ống 25x2 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 28 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 964,2 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 1,772.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống hút đẩy: vh = vd = 4.Qb 3600.π d h = 4.1,7 = 1,363(m/s) 3600.π ,0,0212 Tổng trở lực ống hút ống đẩy:  lh + ld  vh + Σξ h + Σξ d  hhd =  λ   2.g dh   Với: + lh : chiều dài ống hút, chọn lh = 2,5 (m) + ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 15,5 (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: v d ρ 1,363.0,021.964,2 Re= h h F = =15574,65 µF 1,772.10 −3 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh= 6. h  = 6.  =2704,68  ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren= 220. h  = 220.  =90140,38  ε   0,1  Suy ra: Regh < Re < Ren: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ= 0,1.1,46 +  d h Re    , 25 = 0,034 * Xác định ∑ξh: Hệ số tổn thất cục ống hút qua: + van cầu: ξvh= 10 + lần vào miệng thu nhỏ: ξt = 55 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Suy ra: ∑ξh = ξvh =10 * Xác định ∑ξd: Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua: + van cầu: ξvd= 10 + lần uốn góc: ξu =2.1,1 = 2,2 Suy ra: ∑ξh = ξvd + ξu =12,2 Vậy:Tổn thất ống hút ống đẩy:  hhd =  0,034  2,5 + 15,5  1,363 + 10 + 12,2  =4,86(m) 0,021  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 Ap dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + 2 P1 P v v + + Hb= z2 + + +∑hf1-2 ρ F g g ρ F g g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at + v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1=v2= 0(m/s) + ∑hf1-2 =hhd: tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) + Hb : cột áp bơm Suy ra: Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 15 +4,86 =19,86(m.chất lỏng) Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Q H ρ g 1,7.19,86.964,2.9,81 Công suất thực tế bơm: Nb = b b F = 3600.η b 3600.0,8 = 110,08(W) = 0,148 (hp) Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM Qb = 1,7 (m3/h) rượu chất khơng độc hại 56 ĐAMH Q Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ: Lượng thép X18H10T cần dùng: G1 = 30m1+53.m2+ m3+ 2.m4 = 30.18,144 +53.6,567 + 893,54 + 2.14,694 = 1815,3 (Kg)  Lượng thép CT3 cần dùng: G2 = Gbích ghép ống dẫn π π = (2.4 .(0,1502-0,0602).0,012 + 2.1 (0,262-0,1502) 0,016) 7850  4 = 29,633 (Kg) Số lượng bulông cần mua: n = 15.24 + 4.6 = 384 (bulơng)  Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng: V = π.(Dt + St ).δa H = π.(0,7 + 0,003).0,02.14,5 = 0,754(m3)  Chiều dài ống dẫn: * Ong 25mm: L1= Lb +LTBTĐN +LTBGN +Lnồi đun +LTBnt +LTBln = 18+ 20 + 20 + 91.2,8 + 117.2 + 20.2 ~587(m) * Ong (31-50)mm: L2= Ldẫn + LTBGN +LTBTĐN +l1 = 40 +20 +20 +20 = 100(m) * Ong 100mm: chọn ống dẫn đỉnh đáy tháp: L3 = 10(m)  Kính quan sát: đường kính là:100(mm), dày 5(mm) π S = 0,12 = 0,0157(m2)  Bộ phận nối cong ống: Những chỗ quay ngược ống ta dùng phận nối ống cong 90o * Nối ống 25mm: 11.2 + + 2.2 = 27 (cái) * Nối ống (31-50)mm: 10 + 11.2 + = 33 (cái)  Vậy: số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị 113292834 (đồng) Tiền gia công chế tạo thiết bị(gia công phức tạp, độ xác cao) 500% tiền vật tư: 500%.113292834 = 566464170 (đồng) Tóm lại: Chi phí đầu tư: 679757004(đồng) Tổng chi phi đầu tư (bao gồm chi phí phát sinh) chọn 700 (triệu đồng)  Vật liệu Số lượng Đơn gía Thép X18H10T 1815,3 (kg) 50000 (đ/kg) Thành tiền 90765000 57 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị GVHD : Lê Xuân Hải Thép CT3 29,633 (kg) 10000 (đ/kg) 296330 Bulông 384 (bulông) 3000 (đ/bulông) 1152000 Vật liệu cách nhiệt 0,745 (m3) 4000000 (đ/m3) 3016000 Ong dẫn 25mm 587 (m) 15000 (đ/m) 8805000 Ong dẫn (31-50)mm 100 (m) 20000 (đ/m) 2000000 Ong dẫn 100mm 10 (m) 40000 (đ/m) 400000 Bộ phận nối 25mm 27 (cái) 30000 (đ/cái) 810000 Bộ phận nối (31-50)mm 33 (cái) 50000 (đ/cái) 1650000 Bơm 2.0,148 (hp) 700000 (đ/hp) 89600 Ap kế tự động (cái) 600000 (đ/cái) 600000 Nhiệt kế điện trở tự ghi (cái) 200000 (cái) 1000000 Lưu lượng kế (