BÁO CÁO THỰC HÀNH MÔN TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA HỌC THIẾT KẾ THÁP ĐỆM ĐỂ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – ACETIC AXIT

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ––o0o— BÁO CÁO THỰC HÀNH MƠN TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HĨA HỌC THIẾT KẾ THÁP ĐỆM ĐỂ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – ACETIC AXIT Họ tên: Vũ Trường Hải Lớp: DHHC15 MSSV: 19441381 GVHD: Lê Văn Nhiều Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022 BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐHCN TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC KHOA: CƠNG NGHỆ HOÁ HỌC HỌ VÀ TÊN: VŨ TRƯỜNG HẢI BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ MSSV: 19441381 LỚP: DHHC15 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tháp đệm để chưng cất hỗn hợp Nước – Acetic axit Nhiệm vụ đề tài (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu) ➢ Số liệu ban đầu: - Năng suất 4000kg/h theo sản phẩm đáy - Thành phần phần mol Acetic dòng nhập liệu 70% - Sản phẩm đáy thu 98% Acetic axit sản phẩm đỉnh chứa 99% Nước (theo khối lượng) - Hơi đốt sử dụng nước bão hịa - Các thơng số khác tự chọn ➢ Nội dung thực hiện: - Tổng quan nguyên liệu, trình chưng cất - Thiết kế quy trình chưng cất - Thuyết minh quy trình - Tính tốn cân vật chất - Tính tốn cân lượng - Tính tốn thiết kế thiết bị chưng cất - Tính tốn, chọn thiết bị phụ trang bị cho hệ thống (Bơm, bồn cao vị, thiết bị trao đổi nhiệt, nồi đun, hệ thống đường ống….) - Bản vẽ A1 sơ đồ QTCN - Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 25/10/2022 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 18/12/2022 Họ tên người hướng dẫn: TS Lê Văn Nhiều Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2022 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trần Hoài Đức Lê Văn Nhiều NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: (thang điểm 10) • • • • Thái độ thực Nội dung thực Kỹ trình bày Tổng hợp kết quả Điểm số: Điểm chữ TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2022 Trưởng mơn Trần Hồi Đức Giảng viên hướng dẫn Lê Văn Nhiều NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2022 Giảng viên phản biện (Ký ghi họ tên) Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Lê Văn Nhiều tạo điều kiện cho em tiếp cận với trang thiết bị máy móc Qua em mở rộng kiến thức có sở để hồn thành tốt báo cáo Đề tài em “Tính tốn thiết kế hệ thống tháp đệm để chưng cất hệ Nước – Acetic axit” đề tài mang tính ứng dụng cao công nghiệp ngày phát triển mạnh mẽ Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu giúp đỡ Thầy, em hoàn thành báo cáo Tuy nhiên, vốn kiến thức kỹ sử dụng phần mềm Autocad hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong nhận góp ý từ Thầy để em hiểu rõ vấn đề để hồn thiện báo cáo tốt Một lần em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình Thầy Lê Văn Nhiều giải đáp thắc mắc q thầy khoa Cơng nghệ Hóa Học Trường đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu sơ nguyên liệu Chương QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 2.2 Thuyết minh quy trình Chương CÂN BẰNG VẬT CHẤT Chương CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 16 4.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 16 4.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 18 4.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 19 4.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 21 4.5 Cân nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp 23 4.6 Cân nhiệt lượng cho tháp chưng cất 24 Chương ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG CẤT 29 5.1 Lượng trung bình đoạn cất 30 5.2 Lượng trung bình đoạn chưng 35 Chương CHIỀU CAO CHÂN THÁP 40 Chương TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 42 7.1 Đối với đoạn cất 42 7.2 Đối với đoạn chưng 43 Chương TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP 45 8.1 Chọn vật liệu 45 8.2 Tính đường ống dẫn 45 8.3 Tính chiều dày tháp 49 8.4 Tính chiều dày nắp đáy thiết bị 52 Chiều dày nắp tháp 52 Chiều dày đáy tháp 53 8.5 Tra bích 55 8.6 Tính lưỡi đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng 57 8.7 Tai treo chân đỡ thiết bị 57 Chương TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 61 9.1 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 61 9.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 68 9.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 69 9.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 70 9.5 Bơm 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Chương TỔNG QUAN Cơ sở lý thuyết Chưng cất phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng cũng hỗn hợp khí - lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ áp suất cấu tử khác nhau) cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay ngưng tụ vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Quá trình chưng cất q trình cả dung mơi chất tan bay hơix Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hai cấu tử ta thu hai sản phẩm: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn - Đối với hệ Nước – Acetic axit thì: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu nước - Sản phẩm đáy chủ yếu acid acetic Các phương pháp chưng cất Phân loại theo áp suất làm việc: 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 - Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản chưng cất nước trực tiếp chưng cất chân không - Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp cấp nhiệt gián tiếpx Trong cấp nhiệt trực tiếp nước thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp, chúng có yêu cầu bản diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng, tháp lớn thường áp dụng công nghiệp lọc hóa dầu Kích thướt tháp: đường kính tháp chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ở ta khảo sát hai loại tháp chưng thường dùng tháp mâm tháp chêm -Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có ctạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, pha lỏng pha tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa ta có: • Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng trịn xupap chữ s… • Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính ( 3-12mm) -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 Tháp đệm hình trụ bên có đổ đầy đệm Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ xuống theo bề mặt đệm khí từ lên phân tán chất lỏng -So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Ưu điểm Tháp đệm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có p = p chất lỏng Nhược điểm - Trở lực cao - Do có hiệu ứng thành → hiệu - Yêu cầu lắp đặt khắc suất tương đối khe → lắp đĩa thật thấp phẳng - Độ ổn định khơng cao, khó vận hành - có hiệu ứng thành → tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suẩt - Thiết bị nặng Vậy: Ta sử dụng tháp đệm để chưng cất hệ Nước – Acetic axit - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn - Không làm việc với chất lỏng bẩn ρtbF x̅F − x̅F −1 0.114 − 0.114 −1 kg =( + ) =( + ) = 992.16 ( ) ρN ρ𝐴 978.505 993.94 m Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp công thức I.33-[STQTTB I-124] 𝑡𝑡𝑏𝐹 = 68.75 ℃ → { 𝜆N = 0.064 ( 𝜆A = 0.162( 𝑊 𝑚×℃ 𝑊 𝑚×℃ ) I.130-[STQTTB I-134;135] ) 𝜆F = 𝜆N × x̅F + 𝜆A × (1 – x̅F ) − 0.72 × x̅F × (1 – x̅F ) × (𝜆N − 𝜆A ) = 0.064 × 0.114 + 𝑊 0.162 × (1 − 0.114) − 0.72 × 0.114 × (1 − 0.114) × (0.064 − 0.162) = 0.183 ( ) 𝑚×℃ Độ nhớt động lực học 𝑡𝑡𝑏𝐹 𝜇𝑁 = 0.42 × 10−3 𝑁𝑠/𝑚2 = 68.75 ℃ → { I.101-[STQTTB I-91;92] 𝜇𝐴 = 0.64 × 10−3 𝑁𝑠/𝑚2 log(μF ) = xF × log(μB ) + (1 − xF ) × log(μT ) = 0.3 × log(0.42 × 10−3 ) + (1 − 0.3) × log(0.64 × 10−3 ) μF = 5.64 × 10−4 𝑁𝑠/𝑚2 Lượng nhiệt tải cung cấp cho dòng nhập liệu Qc = 𝐹̅ 3600 × 𝐶𝑡𝑏𝐹 × (𝑡𝐹𝑠 − 𝑡𝐹 ) = 4427.634 3600 × 2475.31 × (107.5 − 30) = 235939.42 𝑊 Suất lượng nước cần dùng ̅N = G Q𝑐 235939.42 𝑘𝑔 𝑘𝑔 = = 0.107 ( ) = 385.2 ( ) r𝑁 2208 × 1000 𝑠 ℎ Xác định ∆𝒕𝒍𝒐𝒈 Dịng nóng 𝑡𝑁𝑣 → 𝑡𝑁𝑟 Dịng lạnh 𝑡𝐹𝑠 ← 𝑡𝐹 Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều Dòng nóng 119.6 oC 60 oC nóng o 30 oC 107.5 C 62 Dòng lạnh ∆𝑡1 = 𝑡𝑁𝑣 − 𝑡𝐹𝑠 = 119.6 – 107.5 = 12.1℃ ∆𝑡2 = 𝑇𝑁𝑟 − 𝑇𝐹 = 60 – 30 = 30℃ Ta có ∆𝑡1 < ∆𝑡2 { Mà ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑡2 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = ∆𝑡1 < → ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 = ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 +∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 12.1+30 = 21.05℃ Xác định hệ số truyền nhiệt dòng nhập liệu Vận tốc dòng nhập liệu ống ống 25x2 mm dtr=21mm 𝐹̅ 4427.634 F 3600 × 𝜌𝑡𝑏𝐹 3600 × 992.16 = 3.58 (m) ω𝐹 = = = π × 0.0212 A s π × 𝑑𝑡𝑟 ( ) ( ) 4 ống 38x2 mm Dtr=34mm ̅N G ̅ GN 3600 × 𝜌𝑁 ω𝑁 = = A π × 𝑑𝑛𝑔 π × (𝑑𝑡𝑟 + 0𝑥004)2 ( − ) 4 385.2 m 3600 × 978.505 = = 0.26 ( ) 2 π × (0.021 + 0.004) π × 0.034 s ( − ) 4 Chuẩn số Reynolds 𝑅𝑒𝐹 = 𝑙×ω𝐹 ×𝜌 𝜇 = 0.021×3.58×992.16 𝐷𝑡𝑑 = 5.64×10−4 = 132252.82 > 104 chảy rối (Dtr )2 − (dng ) Dtr + dng 0.0342 − 0.0252 = = × 10−3 𝑚 0.034 + 0.025 63 𝑅𝑒𝑁 = 𝑙×ω𝑁 ×𝜌 𝜇 = 9×10−3 ×0.26×978.505 5.64×10−4 = 4059.75 > 2320 chảy độ Chuẩn số Nuselt Chảy rối 𝑁𝑢𝐹 = 0.021 × 𝜀𝑘 × 𝑅𝑒𝐹 0.8 × 𝑃𝑟𝐹 0.43 × ( 𝑃𝑟𝐹 0.25 𝑃𝑟𝑣2 Cơng thức V.40-[STQTTB II-14] ) Trong đó: 𝜀𝑘 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào 𝑅𝑒𝐹 tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống 𝐿 𝑑𝑡𝑟 = 50 0.021 > 50 𝜀1 = 𝑃𝑟𝐹 : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 68.75℃ nên: 𝐶𝐹 × 𝜇𝐹 2475.31 × 5.64 × 10−4 𝑃𝑟𝐹 = = = 7.63 𝜆𝐹 0.183 ⟹ 𝑁𝑢𝐹 = 0.021 × × 132252.82 0.8 × 7.63 0.43 7.63 0.25 1045.83 ×( ) = 𝑃𝑟𝑣2 𝑃𝑟𝑣2 0.25 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: 1045.83 × 0.183 𝑁𝑢𝐹 × 𝜆𝐹 9113.66 𝑃𝑟𝑣2 0.25 𝛼𝐹 = = = 𝑑𝑡𝑟 0.021 𝑃𝑟𝑣2 0.25 Nhiệt tải phía dịng nhập liệu: 𝑞𝐹 = 𝛼𝐹 × (𝑡𝑣2 − 𝑡𝑡𝑏𝐹 ) = 9113.66 𝑃𝑟𝑣2 0.25 × (𝑡𝑣2 − 68.75) Với 𝑡𝑣2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑣1 − 𝑡𝑣2 𝑊 ∑ 𝑟𝑡 𝑚2 64 Trong đó: 𝑡𝑣1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) ∑ 𝑟𝑡 = 𝛿𝑡 + 𝑟1 + 𝑟2 𝜆𝑡 Bề dày thành ống: 𝛿𝑡 = 𝑚𝑚 = 0.002 𝑚 Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ 𝜆𝑡ℎé𝑝 = 17.5 𝑊 𝑚×℃ tra QTTBCH-TN-TK bảng 28/ 28 Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: 𝑟1 = 1⁄5000 𝑚2 × 𝐾 ⁄𝑊 Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: 𝑟2 = 1⁄5000 𝑚2 × 𝐾 ⁄𝑊 → Suy ra: ∑ 𝑟𝑡 = 5.14 × 10−4 𝑚2 × 𝐾 ⁄𝑊 →Vậy nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑣1 − 𝑡𝑣2 𝑡𝑣1 − 𝑡𝑣2 = = 1945x525 × (𝑡𝑣1 − 𝑡𝑣2 ) (𝑚2 × 𝐾 ⁄𝑊) −4 ∑ 𝑟𝑡 5x14 × 10 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống ngồi Đường kính tương đường: 𝑑𝑡𝑑 = 𝐷𝑡𝑟 − 𝑑𝑛𝑔 = 0.034 − 0.025 = 0.009 𝑚 Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: 0.25 0.25 𝑟𝑁 2208 × 1000 ] ] 𝛼𝑁 = 0.725 × 𝐴 × [ = 0.725 × 𝐴 × [ (𝑡𝑠𝑁 − 𝑡𝑣1 )x𝑑𝑡𝑑 (119.6 − 𝑡𝑣1 ) × 0.009 = 90.74 × 𝐴 (119.6 − 𝑡𝑣1 )0.25 Với A: hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ tra trang 29 sổ tay QTTB tập Nhiệt tải nước: 𝑞𝑁 = 𝛼𝑁 × (𝑡𝑠𝑁 − 𝑡𝑣1 ) = 90.74 × 𝐴x(119.6 − 𝑡𝑣1 )0.75 𝑊/𝑚2 65 Giả sử: 𝑡𝑣1 = 106.57 ℃ Khi nhiệt độ trung bình: 𝑡𝑡𝑏 = 𝑡𝑠𝑁 + 𝑡𝑣1 119.6 + 106.57 = = 113.96 ℃ 2 Ở nhiệt độ 𝑡𝑡𝑏 = 113.085 ℃ tra [2] – trang 29 ta có → 𝐴 = 181.78 Nhiệt tải phía nước: 𝑞𝑁 = 𝛼𝑁 × (𝑡𝑠𝑁 − 𝑡𝑣1 ) = 90.74 × 𝐴x(119.6 − 𝑡𝑣1 )0.75 = 90.74 × 181.78 × (119.6 − 106.57)0.75 = 113123.59 ( 𝑊 ) 𝑚2 Xem nhiệt tải mát không đáng kể: 𝑞𝑡 = 𝑞𝑁 = 113123.59 → 𝑡𝑣2 = 𝑡𝑣1 − 𝑊 𝑚2 𝑞𝑡 11312.59 = 106x57 − = 48.42 ℃ 1945.525 1945.525 Các tính chất vật lý học dòng nhập liệu tra nhiệt độ: 𝑡𝑣2 = 48.42 ℃ Nhiệt dung riêng trung bình 𝑡𝑡𝑏𝐹 = 68.75 ℃ → { 𝐶𝑝𝑁 = 4190 ( 𝐽 Kgxđộ 𝐽 𝐶𝑝𝐴 = 2254.68( ) Kgxđộ I.153-[STQTTB I-171;172] ) 𝐶𝑡𝑏𝐹 = x̅F × 𝐶𝑝𝑁 + (1 − x̅F ) × 𝐶𝑝𝐴 = 0.114 × 4190 + (1 − 0.114) × 2254.68 = 2475.31 𝐽/kg × độ Độ nhớt động lực học 𝑡𝑡𝑏𝐹 = 68.75 ℃ → { 𝜇𝑁 = 0.42 × 10−3 𝑁𝑠/𝑚2 I.101-[STQTTB I-91;92] 𝜇𝐴 = 0.64 × 10−3 𝑁𝑠/𝑚2 log(μF ) = xF × log(μB ) + (1 − xF ) × log(μT ) = 0.3 × log(0.42 × 10−3 ) + (1 − 0.3) × log(0.64 × 10−3 ) 66 μF = 5.64 × 10−4 𝑁𝑠/𝑚2 Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp công thức [1] Ix33/ 124 𝑡𝑡𝑏𝐹 = 68.75 ℃ → { 𝜆N = 0.064 ( 𝜆A = 0.162( 𝑊 𝑚×℃ 𝑊 𝑚×℃ ) I.130-[STQTTB I-134;135] ) 𝜆F = 𝜆N × x̅F + 𝜆A × (1 – x̅F ) − 0.72 × x̅F × (1 – x̅F ) × (𝜆N − 𝜆A ) = 0.064 × 0.114 + 𝑊 0.162 × (1 − 0.114) − 0.72 × 0.114 × (1 − 0.114) × (0.064 − 0.162) = 0.183 ( ) 𝑚×℃ Khi đó: 𝑃𝑟𝑣2 𝐶𝑣 × 𝜇𝑣 2475.31 × 5.64 × 10−4 = = = 7.53 𝜆𝑣 0.183 Từ cơng thức nhiệt tải phía dịng nhập liệu: 1045.83 × 0.183 𝑁𝑢𝐹 × 𝜆𝐹 9113.66 9113.66 𝑃𝑟𝑣2 0.25 𝛼𝐹 = = = = = 5448.19 𝑑𝑡𝑟 0.021 7.530.25 𝑃𝑟𝑣2 0.25 𝑞𝐹 = 𝛼𝐹 × (𝑡𝑣2 − 𝑡𝑡𝑏𝐹 ) = 5448.19 × (88.727 − 68.75) = 108838.49 ( 𝑊 ) 𝑚2 Kiểm tra sai số: 𝜀=| 𝑞𝑁 − 𝑞𝐹 113123.59 − 108838.49 |=| | = 0.038 < 0.05 → 𝑇ℎỏ𝑎 𝑞𝑁 113123.59 Vậy: 𝑡𝑣1 = 106.57 ℃ 𝑡𝑣2 = 48x ℃ Khi đó: 1045.83 × 0.183 𝑁𝑢𝐹 × 𝜆𝐹 9113.66 9113.66 𝑃𝑟𝑣2 0.25 𝛼𝐹 = = = = = 5448.19 𝑑𝑡𝑟 0.021 7.530.25 𝑃𝑟𝑣2 0.25 𝛼𝑁 = 90.74 × 𝐴 90.74 × 181.78 = = 8681.78 𝑊/𝑚2 × 𝐾 0.25 (119.6 − 𝑡𝑣1 ) (119.6 − 106.57)0.25 67 ⟹𝐾= 1 + ∑ 𝑟𝑡 + 𝛼𝐹 𝛼𝑁 = 1 + 5.14 × 10−4 + 5448.19 8681.78 = 1230.42 ( 𝑊 ) 𝑚2 𝑥𝐾 Diện tích truyền nhiệt chiều dài ống truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt trung bình: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑐 235939.42 = = 9.11 𝑚2 𝐾 × ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 1230.42 × 21.05 Chiều dài ống truyền nhiệt: 𝐿= 𝐹𝑡𝑏 9.11 = = 63.04 ≈ 63 𝑚 2𝜋𝑅𝑡𝑏 2𝜋 0.025 + 0.021 Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 63 (m) chia thành dãy dãy dài 9m 9.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Chọn thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T kích thước ống 25x2 Đường kính ngồi: 𝑑𝑛𝑔 = 25𝑚𝑚 = 0.025𝑚 Đường kính trong: 𝑑𝑡𝑟 = 21𝑚𝑚 = 0.021𝑚 Bề dày ống: 𝛿 = 𝑚𝑚 = 0.002 𝑚 𝑡𝑃𝑠 = 100.67 ℃ → { 𝑟𝑁 = 2254.84 k𝐽/kg 𝑟𝐴 = 395.23 k𝐽/kg I.212-[STQTTB I-254] Nhiệt hóa dịng sản phẩm đỉnh rP = y̅P xrN + (1 − y̅P )xr𝐴 = 0.993 × 2254.84 + (1 − 0.993) × 395.23 KJ = 2241.82 ( ) Kg 68 𝑄𝑛𝑡 = 𝑃̅ × (𝑅 + 1) × 𝑟𝐷 = 427.634 × (9.152 + 1) × 2241.82 × 1000 3600 = 2702841.047 W Dựa vào chiều dài L thiết bị gia nhiệt nhập liệu làm chuẩn ta lập tỉ lệ sau: 𝑄𝑛ℎậ𝑝 𝑙𝑖ệ𝑢 𝐿1 235939.42 63 = ⇔ = → 𝐿2 = 721.71 𝑚 𝑄𝑛𝑡𝑢 𝐿2 2702841.047 𝐿2 Vậy ta chọn chiều dài L = m Chọn số ống truyền nhiệt: n=721 ống Tra bảng V.11[2] – trang 48 số ống đường chéo: b= 31 ống Bước ống 𝑡 = 1.2 × 𝑑𝑛𝑔 = 1.2 × 0x025 = 0x03 𝑚 Tra cơng thức V.140[2] – trang 49 ta có đường kính thiết bị: 𝐷 = 𝑡 × (𝑏 − 1) + 4𝑑𝑛𝑔 = 0.03 × (31 − 1) + × 0.025 = 𝑚 9.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Chọn thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T kích thước ống 25x2 Đường kính ngồi: 𝑑𝑛𝑔 = 25𝑚𝑚 = 0.025𝑚 Đường kính trong: 𝑑𝑡𝑟 = 21𝑚𝑚 = 0.021𝑚 Bề dày ống: 𝛿 = 𝑚𝑚 = 0.002 𝑚 𝐽 𝐶𝑝𝑁 = 4176.25 ( ) kgxđộ Chọn 𝑡𝑃 = 35 ℃ → { 𝐽 𝐶𝑝𝐴 = 2073.5 ( ) I.153-[STQTTB I-172] kgxđộ 𝐶𝑝𝑃 = x̅P × 𝐶𝑝𝑁 + (1 − x̅P ) × 𝐶𝑝𝐴 = 0.99 × 4176.25 + (1 − 0.99) × 2073.5 𝐽 = 4155.22 ( ) kgxđộ 69 xP = 0.997 ta tra 𝑡𝑃𝑠 = 100.67 ℃ yD = 0.993 (QTCH-TN-TK bảng 47/ 39) 𝑡𝐷𝑠 = 100.67 ℃ →{ 𝐶𝑝(𝐴) = 2443.293 ( 𝐶𝑝(𝑁) = 4235.697 ( 𝑗 𝑘𝑔𝑥độ 𝑗 𝑘𝑔𝑥độ ) I.153;154-[STQTTB I-172] ) 𝐶𝑝𝑃𝑠 = x̅P × 𝐶𝑝𝑁 + (1 − x̅P ) × 𝐶𝑝𝐴 = 0.99 × 4235.697 + (1 − 0.99) × 2443.293 𝐽 = 4217.73 ( ) kgxđộ 𝑄𝑛𝑔𝑢ộ𝑖 đỉ𝑛ℎ = 𝑃̅ × (𝐶𝑝𝑃𝑠 × 𝑡𝑃𝑠 − 𝐶𝑝𝑃 × 𝑡𝑃 ) 427.634 = × (4217.73 × 100.67 − 4155.22 × 35) = 33161.37 𝑊 3600 Dựa vào chiều dài L thiết bị gia nhiệt nhập liệu làm chuẩn ta lập tỉ lệ sau: 𝑄𝑛ℎậ𝑝 𝑙𝑖ệ𝑢 𝐿1 235939.42 63 = ⇔ = → 𝐿3 = 8x85 𝑚 𝑄𝑛𝑔𝑢ộ𝑖 đỉ𝑛ℎ 𝐿3 33161.37 𝐿3 Vậy ta chọn chiều dài L = 0x11 m Chọn số ống truyền nhiệt: n=19 ống Tra bảng V.11[2] – trang 48 số ống đường chéo: b= ống Bước ống 𝑡 = 1.2 × 𝑑𝑛𝑔 = 1.2 × 0.025 = 0.03 𝑚 Tra cơng thức V.140[2] – trang 49 ta có đường kính thiết bị: 𝐷 = 𝑡 × (𝑏 − 1) + 4𝑑𝑛𝑔 = 0.03 × (5 − 1) + × 0.025 = 0.22 𝑚 9.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Chọn thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T kích thước ống 25x2 Đường kính ngồi: 𝑑𝑛𝑔 = 25𝑚𝑚 = 0.025𝑚 Đường kính trong: 𝑑𝑡𝑟 = 21𝑚𝑚 = 0.021𝑚 70 Bề dày ống: 𝛿 = 𝑚𝑚 = 0.002 𝑚 Chọn 𝑡𝑊 = 35 ℃ { 𝐶𝑝𝑁 = 4176.25 ( 𝐶𝑝𝐴 = 2073.5 ( 𝐽 kgxđộ 𝐽 kgxđộ ) I.153.154-[STQTTB I-172] ) 𝐶𝑝𝑊 = x̅W × 𝐶𝑝𝐵 + (1 − x̅W ) × 𝐶𝑝𝑇 = 0.02 × 4176.25 + (1 − 0.02) × 2073.5 𝐽 = 2115.55( ) kgxđộ xW = 0.064 ta tra 𝑡𝑊𝑠 = 114.952 ℃ (QTCH-TN-TK bảng 47/39) 𝐽 𝑡𝑊𝑠 𝐶𝑝𝑁 = 4263.64( ) kgxđộ = 114.952 ℃ → { 𝐽 𝐶𝑝𝐴 = 2508.5 ( ) I.153.154-[STQTTB I-172] kgxđộ 𝐶𝑝𝑊𝑠 = x̅W × 𝐶𝑝𝑁 + (1 − x̅W ) × 𝐶𝑝𝐴 = 0.02 × 4263.64 + (1 − 0.02) × 2508.5 𝐽 = 2543.6 ( ) kgxđộ ̅ × (𝐶𝑝𝑊𝑠 × 𝑡𝑊𝑠 − 𝐶𝑝𝑊 × 𝑡𝑊 ) 𝑄𝑛𝑔𝑢ộ𝑖 đá𝑦 = 𝑊 4000 = × (2543.6 × 114.952 − 2115.55 × 35) = 242608.508 𝑊 3600 Dựa vào chiều dài L thiết bị gia nhiệt nhập liệu làm chuẩn ta lập tỉ lệ sau: 𝑄𝑛ℎậ𝑝 𝑙𝑖ệ𝑢 𝐿1 235939.42 63 = ⇔ = → 𝐿4 = 64x78 𝑚 𝑄𝑛𝑔𝑢ộ𝑖 đá𝑦 𝐿4 242608.508 𝐿4 Vậy ta chọn chiều dài L = 0.75 m Chọn số ống truyền nhiệt: n=37 ống Tra bảng Vx11[2] – trang 48 số ống đường chéo: b= ống Bước ống 𝑡 = 1.2 × 𝑑𝑛𝑔 = 1.2 × 0.025 = 0.03 𝑚 Tra công thức V.140[2] – trang 49 ta có đường kính thiết bị: 𝐷 = 𝑡 × (𝑏 − 1) + 4𝑑𝑛𝑔 = 0.03 × (7 − 1) + × 0.025 = 0.28 𝑚 71 9.5 Bơm Nhiệt độ dòng nhập liệu 𝑡𝑓 = 30 ℃ Độ nhớt động lực: 𝑡𝑓 = 30 ℃ → { 𝜇𝑁 = 0.801 × 10−3 𝑁𝑠/𝑚2 𝜇𝐴 = 1.04 × 10−3 𝑁𝑠/𝑚2 I.101-[STQTTB I-91;92] log(μf ) = xF × log(μN ) + (1 − xF ) × log(μA ) = 0.3 × log(0.801 × 10−3 ) + (1 − 0.3) × log(1.04 × 10−3 ) μf = 9.62 × 10−4 𝑁𝑠/𝑚2 Khối lượng riêng 𝜌𝑁 = 995 𝑘𝑔/𝑚3 𝑡𝑓 = 30 ℃ → { 𝜌𝐴 = 1037.5 𝑘𝑔/𝑚3 I.2-[STQTTB I-9] x̅F − x̅F −1 0.114 − 0.114 −1 𝑘𝑔 ρf = ( + ) =( + ) = 1032.47( ) ρN ρ𝐴 995 1037x5 𝑚 Lưu lượng thể tích dịng nhập liệu ống F̅ 4427.634 𝑚3 Q𝑓 = = = 4.29 ( ) ρf 1032.47 ℎ Chọn bơm có suất Q 𝑏 = 𝑚3 /ℎ đường kính ống hút ống đẩy 25 mm Vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy ω𝑏 = Q𝑏 Q𝑏 = = = 2.264 𝑚/𝑠 A π × 𝑑𝑡𝑟 3600 × π × 0.0252 4 Tra [1] bảng IIx15/ 381 ⟹ Độ nhám ống điều kiện ăn mịn ít:  = 0.2 mm = 0.0002 m Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu 72 𝑅𝑒 = 𝑙 × ω𝑏 × 𝜌𝑓 0.025 × 2.264 × 1032.47 = = 60746.16 μf 9.62 × 10−4 Chuẩn số Reynolds giới hạn 𝑅𝑒 = 𝑙×ω𝑏 ×𝜌𝑓 μf = 0.025×2.264×1032.47 9.62×10−4 = 60746.16>10000 chảy rối Hệ số ma sát: √𝜆 = −2 log [( 6.81 0.9 𝑅𝑒 ) + ∆  ] với ∆= tra [1] II.65/380 3.7 𝑑 0.2 0.9 6.81 = −2 log [( ) + 25 ] 60746.16 3.7 √𝜆 𝜆 = 0.023 Hệ số tổn thất cục ống hút Co 900 có đường kính 25 mm ξu1 (1 chỗ) = Tra [1] bảng II.16 – trang 396 Ống hút có chỗ uốn → ξu1 = Van chiều chọn tỷ lệ b/D0 0.12 ξv1 = 10.8 + 0.63 = 11.43 Tra [1] bảng II.16 – trang 400 ∑ 𝜉ℎ = + 11.43 = 13x43 Hệ số tổn thất cục ống đẩy Tra [1] bảng II.16 – trang 396 co 900 có đường kính 25 mm ξu1 (1 chỗ) = Ống hút có chỗ uốn → ξu2 = × = Van tiêu chuẩn mở hoàn toàn ξv2 = 7.3 ∑ 𝜉đ = + 7.3 = 13.3 73 Tổng trở lực ống hút ống đẩy ∑ ℎ𝑓1−2 𝑙ℎ + 𝑙đ ω𝐹 = (𝜆 × + ∑ ξℎ + ∑ ξđ ) × 𝑑𝑡𝑟 2×𝑔 Tại nhiệt độ 30 ℃ nhập liệu tra bảng [1] II.34/ 441 ta được: Chiều cao ống hút m chọn chiều dài ống hút 𝑙ℎ = 𝑚 𝑙𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn 𝑙𝑑 = 10 𝑚 ∑ 𝜉ℎ : tổng tổn thất cục ống hút ∑ 𝜉𝑑 : tổng tổn thất cục ống đẩy 𝜆 : hệ số ma sát ống hút ống đẩy ∑ ℎ𝑓1−2 = (0.023 × + 10 2.264 + 13.43 + 13.3) × = 10.11 𝑚 0.025 × 9.81 Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 𝑃1 𝑣1 𝑃2 𝑣2 𝑧1 + + + 𝐻𝑏 = 𝑧2 + + + ∑ ℎ𝑓1−2 𝜌𝐹 × 𝑔 × 𝑔 𝜌𝐹 × 𝑔 × 𝑔 Trong đó: • z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất chọn z1 = m • z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất z2 = 6x5 m • P1 : áp suất mặt thống (1-1) chọn P1 = at • P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) chọn P2 = at • v1.v2 : vận tốc ống đẩy ống hút xem đường kính ống nên cho tốc độ m/s • hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) • Hb: cột áp bơm 74 Cột áp toàn phần bơm 𝐻𝑏 = (𝑧2 − 𝑧1 ) + ∑ ℎ𝑓1−2 = (6.5 − 1) + 10.11 = 15.61 𝑚 Công suất bơm: Chọn hiệu suất toàn phần bơm 𝜂𝑏 = 80% Vì lưu lượng nhập liệu Q 𝑓 = 4𝑥29 𝑚3 /ℎ nên chọn Q 𝑏 = 𝑚3 /ℎ 𝑁𝑏 = 𝜌𝐹 × 𝑔 × 𝐻𝑏 × Q 𝑏 1032.47 × 9.81 × 15.61 × = = 164.7 𝑊 3600 × 𝜂𝑏 3600 × 0.8 Vậy chọn bơm ly tâm có: • Năng suất: Q 𝑏 = 𝑚3 /ℎ • Cột áp: 𝐻𝑏 = 15.61 𝑚 • Cơng suất:𝑁𝑏 = 164.7 𝑊 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Trần Xoa – PGS.TS Nguyễn Trọng Khng, “Sổ tay Q trình Thiết bị cơng nghệ hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật [2] TS Trần Xoa – PGS.TS Nguyễn Trọng Khng, “Sổ tay Q trình Thiết bị cơng nghệ hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật [3] Phạm Văn Bôn, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Bài tập Truyền Nhiệt”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP HCM, 2004 [4] Bảng tra cứu QTCH Truyền Nhiệt- Truyền khối, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP HCM 76