(Đồ án hcmute) nghiên cứu thiết kế tháp chưng cất ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL GVHD: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Th.S LÊ LINH SVTH: LÝ VĂN NAM MSSV: 12143124 HOÀNG VĂN NAM MSSV: 12143123 S KL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: PGS TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS LÊ LINH Sinh viên thực hiện: LÝ VĂN NAM HOÀNG VĂN NAM MSSV: 12143124 MSSV: 12143123 ` Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế tháp chưng cất ethanol Các số liệu, tài liệu ban đầu: rượu ethanol 20% Nội dung đồ án: - Lý thuyết chưng cất - Cân vật chất - Tính tốn thiết kế tháp chưng cất - Tính tốn thiết bị truyền nhiệt - Tính tốn bơm nhập liệu Các sản phẩm dự kiến: Rượu ethanol 85% Ngày giao đồ án: 07/03/2016 Ngày nộp đồ án: 15/07/2016 TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ ……………………………………………………………(GVHD ký, ghi rõ họ tên) an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ Môn Công Nghệ Chế Tạo Máy BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Lý Văn Nam MSSV: 12143124 Hoàng Văn Nam Tên đề tài: MSSV: 12143123 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy Họ tên GV hướng dẫn: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Th.S LÊ LINH Ý KIẾN NHẬN XÉT Nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại Điểm:……… (Bằng chữ:…………………………………………………………… ) TP.HCM, ngày tháng năm 20… Giảng viên hướng dẫn an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ Môn Công Nghệ Chế Tạo Máy BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Lý Văn Nam MSSV: 12143124 Hoàng Văn Nam Tên đề tài: MSSV: 12143123 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy Họ tên GV hướng dẫn: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Th.S LÊ LINH Ý KIẾN NHẬN XÉT Nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại Điểm:……… (Bằng chữ:…………………………………………………………… ) TP.HCM, ngày tháng năm 20… Giảng viên hướng dẫn an LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế tháp chưng cất ethanol - GVHD: PGS TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS LÊ LINH - Sinh viên thực hiện: LÝ VĂN NAM MSSV: 12143124 HOÀNG VĂN NAM MSSV: 12143123 - Địa sinh viên: Lớp 121431 - Số điện thoại liên lạc: 01668611006 - Email: 12143124student@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 15/07/2016 - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 06 năm 2016 Ký tên an LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình q thầy khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ, Phó khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Bộ mơn – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, với thầy ThS Lê Linh, người người thầy tận tình hướng dẫn, bảo nhóm em suốt q trình làm đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM nói chung, thầy Bộ mơn Cơng Nghệ Chế Tạo Máy nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn sở chuyên ngành môn chuyên ngành, giúp nhóm em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ nhóm em suốt q trình học tập Cuối cùng, nhóm em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Trân trọng, Nhóm sinh viên an TÓM TẮT Ngành chế biến rượu nước ta có từ lâu đời Đây ngành kinh tế có hình thức phát triển đa dạng có xu hướng phát triển theo hướng cơng nghiệp hóa ngày mở rộng quy mô Ở việt nam ngành chế biến rượu mang hình thức kinh tế xóa đói giảm nghèo hộ dân Hơn hình thức kinh tế phát triển nhỏ lẻ, đủ cung cấp qua lại địa phương Nhìn sang nước bạn, dể dàng thấy ngành chế biến sản xuất rượu ngành kinh tế xem trọng điểm quốc gia họ Ngoài việc cung cấp tiêu thụ nước, họ xuất qua nước khác Họ làm họ từ lâu sở hửu máy hay dây chuyền chế biến sản xuất mang tính tự động cao, mang lại cho họ suất lớn Cũng họ, Việt Nam đường phát triển hội nhâp, thiếu cổ máy dây chuyền tự động Chình vậy, việc thiết kế để chế tạo tháp chưng cất ethnol giải vấn đề nêu cần thiết Abstract Wine processing industry in our country has a long lifetime This is a form of economic activity has developed very diverse and currently tends to develop in the direction of industrialization and are increasingly scaling In Vietnam the wine processing industry forms only economic poverty of households More than that is just a form of economic development of small and only provide enough local crossing You look to other countries, we can easily see the wine production and processing industry is an economic sector is seen as the key of their country In addition to providing domestic consumption, they are increasingly exported to other countries They so because they have long owned the machine or production line processing highly automated nature, can bring them greater productivity Like them, Vietnam on as road development and integration, the machines indispensable automated assembly lines like that Therefore, the design to produce ethanol distillation tower can solve the above problems is essential an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU 11 DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ 12 CHƯƠNG TỔNG QUAN 14 1.1 Giới thiệu chung 14 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước 14 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 17 1.2 Tính cấp thiết đề tài 18 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÁP CHƯNG CẤT 19 2.1 Giới thiệu chung chưng cất [4] 19 2.1.1 Khái niệm 19 2.1.2 Mục đích cơng nghệ phạm vi sử dụng 19 2.1.3 Phân loại 20 2.2 Các phương pháp chưng cất 20 2.2.1 Chưng cất đơn giản 20 2.2.2 Chưng có hồi lưu 20 2.2.3 Chưng nước trực tiếp 21 an 2.2.4 Chưng luyện 21 2.3 Thiết bị chưng cất 24 2.3.1 Tháp chưng cất 24 2.3.2 Thiết bị ngưng tụ 28 2.3.3 Thiết bị gia nhiệt đáy 28 CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 29 3.1 Ethanol 29 3.2 Nước 29 3.3 Qui trình cơng nghệ 32 CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 34 4.1 Các thông số ban đầu 34 4.2 Cân vật chất 34 4.3 Xác định tỷ sơ hồn lưu thích hợp 35 4.3.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu Rmin 35 4.3.2 Tỷ số hồn lưu thích hợp 36 4.4 Phương trình đường làm việc sơ mấm lý thuyết 36 4.4.1 Phương trình đường làm việc số mâm đoạn cất 36 4.4.2 Phương trình nồng độ làm việc đoạn chưng 36 4.4.3 Số mâm lý thuyết 37 4.4.4 Xác định số mâm thực tế 37 CHƯƠNG TÍNH TỐN-THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 40 5.1 Đường kính tháp (Dt) [4] [5] [6] 40 5.1.1 Đường kính đoạn cất 40 5.1.2 Đường kính đoạn chưng 43 an 5.2 Mâm lỗ trở lực mâm [6] 46 5.2.1 Cấu tạo lỗ mâm 46 5.2.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm 46 5.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô: 47 5.2.4 Độ giảm áp chiều cao mực chất lỏng mâm: 48 5.2.5 Độ giảm áp sức căng bề mặt: 49 5.2.6 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động: 51 5.3 Tính tốn khí tháp [4] [5] 52 5.3.1 Bề dày thân tháp: 52 5.3.2 Đáy nấp thiết bị: 54 5.3.3 Bích ghép thân, đáy nấp: 55 5.3.4 Đường kính ống dẫn- Bích ghép ống dẫn: 56 5.4 Tai treo chân đỡ 61 5.4.1 Tính trọng lượng toàn tháp 61 5.4.2 Chân đỡ tháp: 62 5.4.3 Tai treo: 63 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ TUYỀN NHIỆT - THIẾT BỊ PHỤ 64 6.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu [1] [3] [7] 64 6.1.1 Các thông số ban đầu 64 6.1.2 Tính tốn chi tiết 64 6.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh [1] [3] [7] 68 6.2.1 Các thông số ban đầu 68 6.2.2 Tính toán chi tiết 68 6.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh [1] [3] [7] 72 an  Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T  Kích thước ống ngoài: 60x3 mm,Dn = 60 mm = 0,060 m,  ng = mm = 0,003m, dng = 54mm = 0,054m  Sản phẩm đỉnh ống: tv = 78,14 oC, tr = 35 oC  Nhiệt lượng trao đổi: Q = 27624,391 kW/h  Kích thước ống : 38x2, Dtr = 38 mm = 0,038 m,  tr = mm = 0,002 m,dtr = 34 mm = 0,034 m  Nước giải nhiệt ống: t1 = 30 oC, t2= 42 oC  Suất lượng nước giải nhiệt: G gn = 550,6 kg/h 6.3.2 Tính tốn chi tiết Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu chất: Hình 6.5: Biến thiên nhiệt độ thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh  tlog= t  t  15, o C t ln t (6.104)  Nhiệt độ trung bình nước : t2tb= 0,5   42  30   36o C  Nhiệt độ trung bình sản phẩm đỉnh: t1tb = 36 +tlog = 51,7oC (6.105) (6.106) 73 an  Hệ số truyền nhiệt tổng quát: K  W   m K    rt  1 1 Trong đó: (6.107) 2  W   : Hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt    m K   W   : Hệ số cấp nhiệt phía sản phẩm đỉnh    m K   rt : Nhiệt trở qua thành ống lớp cáu m2 K W  Hệ số cấp nhiệt phía sản phẩm đỉnh ngồi ống : -Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh tra tính nhiệt độ trung bình dịng t2tb  51, 7C (6.108) -Đường kính tương đương: dtd = dng – Dtr = 0,054 – 0,038 = 0,016 m (6.109) -Hệ số dẫn nhiệt :  W  D  0,193    m.K  -Nhiệt dung riêng: cD  3409 (J/kg.K) -Khối lượng riêng:  D  786,8 -Độ nhớt: (6.110) (6.111) (6.112)  N s   D  0,634 103   m  -Vận tốc dòng sản phẩm đỉnh: (6.113) 4GD  0,97 (m/s) 3600 d td2  D v  d 0,97  836  0, 016  ReD  D D td   33259  10000 D 3,90110 4 v D (6.114) (6.115) Vậy cấp nhiệt xảy chế độ chảy rối Khi đó, Nusselt xác định theo công thức: NuD  0, 021. l Re Pr 0,8 D 0,43 D  Pr   D   Prv1  0,25 (6.116) Trong đó:  hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt dựa tỉ lệ chiều dài đường kính ống, L/d > 50   = (6.117) 74 an Chuẩn số Prv1 sản phẩm đỉnh xác định nhiệt độ tv1 tiếp xúc phía ngồi thành ống  C 3,901104 1934 PrD  D D   5, (6.76) (6.118) D 0,135 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt  tv1  tv W , rt m2 (6.119) tv1 nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh C tv2 nhiệt độ vách tiếp xúc với nước giải nhiệt C  rt  r1  r2  t t Trong đó: -Bề dày thành ống trong: δtr = 0,002 m -Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ : t  16,3 W / m.K -Nhiệt trở lớp bẩn ống: Trong r1  5000 m2 K W (6.120) (6.121) (6.122) (6.123) -Nhiệt trở lớp bẩn ống: m2 K 5000 W 1 0, 002 m2 K  rt     4,95 104 5800 5000 16,3 W r2  Hệ số cấp nhiệt nước giải nhiệt ống trong: Nu N N W N  , d tr m K (6.124) (6.127) (6.126) Các tính chất lý học nước giải nhiệt tra tính nhiệt độ trung bình nước ống: ttbN = 0,5.(t1 + t2) = 0,5   30  45 = 37,5 oC (6.127) -Hệ số dẫn nhiệt : lN = 0,63 W/m.K -Nhiệt dung riêng: CN = 4178 J/kg.K -Khối lượng riêng: rN = 993 kg/m3 -Độ nhớt động lực: mN = 6,91104 N.s/m2 -Chuẩn số Prandlt: PrN = 4,7 Chọn vận tốc nước ống vN = 0,3 m/s v  d 0,3  993  0, 038  ReN  N N tr   16382  10000 N 6,9110 4 Vậy cấp nhiệt xảy chế độ chảy rối Khi đó, Nusselt xác định theo cơng thức : (6.128) (6.129) (6.130) (6.131) (6.132) (6.133) 75 an NuN  0, 021. l Re Pr 0,8 N 0,43 N  Pr   N   Prv  0,25 (6.134) Trong đó:  hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt dựa tỉ lệ chiều dài đường kính ống, L/d > 50   = (6.135) -Chuẩn số Prv2 nước giải nhiệt xác định nhiệt độ tv2 tiếp xúc phía thành ống -Chọn tv1 = 48 oC Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh tra tính tv1: +Hệ số dẫn nhiệt lB = 0,1384 W/m.K, lT = 0,13 W/m.K: v1  xD  B  1  xD   T  v1  0,138W /  m.K  (6.136) +Nhiệt dung riêng CB = 1876 J/kg.K, CT = 1843 J/kg.K   Cv1  xD  CB   xD  CT  1877 J / (kg K ) (6.137) +Độ nhớt mB = 4,473.10-4 N.s/m2, mT = 4, 29  104 N.s/m2: log v1  xD log B  1  xD  log T  v1  4, 426 104 N s / m2 (6.138)  Prv1  v1.Cv1 4, 426 104 1877  6 v1 0,138  NuD  0, 021111144  5, 0,8  D  0,43 74,5  0,135 W  628, 0, 016 m K  5,      (6.139) 0,25  74,5 (6.140) (6.141) Xem nhiệt tải mát không đáng kể, nhiệt tải ngồi thành ống trong, qua thành ống lớp cáu có giá trị:  qt  qD   D  ttbD  tv1   776,   60,  48  9653, 4W / m2 (6.142)  tv  tv1  qt rt  48  9653,  4,95 104  43, 2℃  Prv  4,1  Nu N  0, 021114658  4, 0,8 0,43  4,     4,1  (6.143) 0,25  91,1 91,1 0, 63 W  1688 0, 034 m K  qN   N  tv  ttbN   1688   43,  37,5  9657, 2W / m2  N  (6.144) (6.145) (6.146) Kiểm tra sai số:  q N  qD qD 100%  9653,  9657, 9657, 100%  0, 04%  5% Kết luận: tv1 = 48 oC tv2 = 43,2 oC  Xác định hệ số truyền nhiệt: K 1  4,95 104  628, 1688  373,38 (6.147) (6.148) W m K (6.149) 76 an  Bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F QD 7673   1,30 m2 K tlog 373,38 15, (6.150) Dự trữ bề mặt truyền nhiệt khoảng 20%: F’ = 1, 1,30  1,56m2  Cấu tạo thiết bị: Chiều dài ống truyền nhiệt: L F' 1,56   11,3 m  0,5  dng  dtr  3,14  0,5   0, 054  0, 034  (6.151) (6.152) Chọn L = 12 m Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 12 m, chia thành dãy, dãy m 6.4 Nồi đun [1] [3] [7] Hình 6.6: Nồi đun 6.4.1 Các thơng số ban đầu Lượng bão hoà cung cấp cho nồi đốt : Gh= 319,5 kg/h Nhiệt trao đổi : QĐ = Ghr = 670204,243 kW Chọn ống thép X18H10T có kích thước d = 25x2 ,chiều dài ống l = 2m xếp theo hình lục giác chia pass 77 an Thiết bị thiết bị đun sơi lỏng đáy tháp, dịng lỏng đun sôi đốt chế độ đối lưu tự nhiên thể tích lớn (mực lỏng cao thiết bị mực lỏng đáy tháp nên dịng lỏng khơng chảy cưỡng mà đối lưu tự nhiên) Tính hiệu số nhiệt độ : t = t1 – t2 = 119,6 – 103 = 16,6oC Với : t1 nhiệt độ dòng đốt t2 nhiệt độ dòng lỏng cần đun sơi 6.4.2 Tính tốn chi tiết  Hệ số cấp nhiệt nước ngưng tụ ống nằm ngang : 0,3  g  2d   l  Nu  1, 26 Re     '     d  0,35 0,5 k Trong : Rek  (6.153) q1d ; r (6.154) d = 21mm = 0,021m; l/d= 80 q1 : Nhiệt tải riêng (W/m2) r: Ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg)  : Độ nhớt (N.s/m2)  Hệ số truyền nhiệt tổng quát: K  W   m K    rt  1 1 Trong đó: (6.155) 2  W   : Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ    m K   W   : Hệ số cấp nhiệt phía dịng hỗn hợp nhập liệu    m K   rt : Nhiệt trở qua thành ống lớp cáu m2 K W -Chọn t1 = 5,10C = t1 – tw1  tw1=114,4oC, tm = t1 – 0,5t1 = 113,1oC (6.156) ' -Khối lương riêng nước :   1,107kg / m (6.157) -Các thông số vật lý nước ngưng tm:  = 943,4 kg/m3 ;  = 0,232.10-3Ns/m2 ;  = 0,686 W/m.K ;  = 0,5489N/m (6.158) 78 an 0,3  g  2d   l   Nu  1, 26 Re     '     d  0,35 0,5 k 0,3 0,5  q   g  2d   l   1  1, 26       '  dr       d     10,5  21,89t10,5  1  21,89t10,5 0,35   21,89q10,5  21,89 1t1  0,5 (6.159)  479,  t1  2445(W / m K ) Nhiệt tải riêng : q1=1t1= 12469,5(W/m2) rt : nhiệt trở lớp cáu bên ống truyền nhiệt Tra bảng : Nhiệt trở lớp cáu ống : 1/rcau1 = 5800 W/m2.K rcu1 = 0,000172 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ống : 1/rcau2 = 5800 W/m2.K rcu2 = 0,000172 (m2.K/W) thp=17,5W/m.K, =2mm  rt = rcu1 + /+rcu2 = 0,000487 (W/m2.K) Hiệu số nhiệt độ phía ống : tt = tw1 - tw2=q1rt = 6,0oC  tw2 = tw1-tt = 108,4oC t2= tw2-t2tb=114 – 103 =5,40C Hệ số cấp nhiệt dịng chất lỏng sơi ngồi ống :   0,145.t 2,33 p 0,5 (6.160) (6.161) (6.162) (6.163) (6.164) (6.165) (6.166) (6.167) Áp suất tuyệt đối mặt thoáng p = 111900 N/m2    2367,5(W / m K ) (6.168) Nhiệt tải riêng : q2=2t2=12784,5(W/m2) (6.169)   q1  q2  2,5%  5% (chấp nhận) q1 (6.170) Hệ số truyền nhiệt tổng quát: K  W   758,5   1  m K    rt  1 (6.171) 2 Chi tiết thiết bị : Bề mặt truyền nhiệt : 79 an F Q 118,   14, 79m2 K tlog 13,38 (6.172) Số ống truyền nhiệt: n F 8,85   52 (ống)  d tb 2l   0, 023   (6.173) Chọn số ống 61 ống (6.174) Kết luận : Thiết bị có 61 ống d=25x2 mm, dài 2m làm thép X18H10T, xếp hình lục giác chia làm pass phía ống 6.5 Bồn cao vị Xem tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy, thiết bị đun sôi nhập liệu không đáng kể, tổn thất chủ yếu đường ống dẫn từ bồn cao vị đến vị trí nhập liệu tháp chưng cất Chọn ống dẫn có kích thước 57x3 Tổn thất đường ống xác định theo công thức: Σh1 2  l1  v12   1   1    , m  d1  2.g Trong (6.175) 1 : hệ số ma sát đường ống; l1: chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20 m; d1: đường kính ống dẫn, d1 = = 0,051 m; 1: tổng hệ số tổn thất cục bộ, m; v1: vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, m/s 6.5.1 Xác định vận tốc dịng nhập liệu ống dẫn: Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tính nhiệt độ trung bình ttbF = 60,9 o C CF  3487(J/ (kg. C)) (6.176) F  0,507 103 ( N.s / m2 ) (6.177)  F  948, (kg/m3) (6.178) Vận tốc dòng nhập liệu ống: v1  4QF 4.1 m   0,14 2 3600. d1 3600  3,14  0, 051 s (6.179) 6.5.2 Xác định hệ số ma sát ống dẫn: Chuẩn số Reynolds: 80 an Re1  v1.d1. F F  0,14  0, 051 948,  13356  4000 0,507 103 (6.180) Theo mục 34 [1,378], suy dòng nhập liệu ống chế độ chảy rối Tra bảng II.15 [1,381] độ nhám ống  = 0,2 mm = 0,0002 m (ăn mịn ít) Chuẩn số Reynolds tới hạn: 8  0, 051   d 7 Regh         3377    0, 0002  (6.181) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  0, 051   d 8 Ren  220    220     112145    0, 0002  (6.182) Vì Regh < Re1 < Ren nên chế độ chảy rối ứng với khu vực q độ Áp dụng cơng thức ta có:    100   1  0,1 1, 46     d1 Re1    0,25   0, 100    0,1 1, 46      51 27966    0,25  0, 036 (6.183) 6.5.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ: -Chỗ uốn cong: tra bảng II.16 [1,382]: chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = chỗ uốn có  = 0,15 Đường ống có chỗ uốn suy uon = 0,15   1,05 -Van: tra bảng 9.5 [4,110], chọn van cầu với độ mở hồn tồn van có  = 10 -Lưu lượng kế: llk = (coi không đáng kể) -Vào tháp: thap =  1  uon  van  llk  thap  1,05  10    12,05 (6.184)  l  v2  20  0,142  Σh1 2   1   1    0, 032  1 2, 05    0, 025 m (6.118) 0, 051   9,81  d1  2.g  (6.185) Chiều cao bồn cao vị: Chọn: Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho mặt (1-1) (2-2) ta có: z1  P1 v2 P v2   z2    h12  F g 2.g  f g 2.g  z1  z2  P2 P v2  v2    h12 , m  f g  F g 2.g (6.186) (6.187) 81 an Trong đó: -z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, z1 = Hcv -z2: độ cao mặt thống (2-2) tính từ mặt đất đến vị trí nhập liệu, -z2 = hchung = + 1,23 +1 = 3,23 m -P1, P2: áp suất mặt thoáng (1-1) (2-2) (6.189) P2  P1  Pchung  777,3  N / m2 (6.190) - v1: vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = m/s -v2: vận tốc nhập liệu mặt thoáng (2-2), v2 = vF = 0,14 m/s -h(1-2) = 0,025 m (6.191) (6.192) Suy chiều cao bồn cao vị: H cv  3,34 (6.193) Vậy ta chọn chiều cao đặt bồn cao vị Hcv = m (6.194) 6.6 Tính bơm [2] Có nhiều loại bơm khác sử dụng rộng rãi cơng nghiệp nói chung ngành cơng nghiệp hóa chất nói riêng Dựa vào yêu cầu kỹ thuật (năng suất, công suất…) yêu cầu kinh tế (chi phí thấp…) mà lựa chọn bơm cho phù hợp Trong đó, bơm ly tâm sử dụng phổ biến nhất, với ưu điểm cung cấp đều, quay nhanh, đơn giản, bơm chất lỏng sạch, khơng có xupap nên bị tắt hư hỏng 6.6.1 Năng suất Dung dịch nhập liệu với lưu lượng = 1000 l/h nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 28 oC, (6.195) Vậy chọn bơm có suất Qb = QF = 1,5 m3/h (6.196) 6.6.2 Cột áp Chọn: Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu; Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): z1  P1 v2 P v2   H b  z2    h1 2  F g 2.g  F g 2.g Trong đó: (6.197) z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = m; z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 4m; P1, P2: áp suất mặt thoáng (1-1) (2-2), chọn P1 = P2 = at; v1, v2: vận tốc mặt thoáng (1-1) (2-2), xem v1 = v2 = m/s; 82 an h(1-2): tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2); Hb: cột áp bơm, m Tính tổng trở lực ống: Chọn kích thước ống hút ống đẩy 57x3 Tổng trở lực:  l l  v2 h1 2    h d  ξ h  ξ d  F dtr   2.g (6.198) Trong đó: + lh: chiều dài ống hút Chọn lh = 2m + ld: chiều dài ống đẩy, chọn ld = m + vF: vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy: vF  4.Qb  1,5 m   0, 204 2 3600. d tr 3600  3,14  0, 051 s (6.199) +  h   d : hệ số ma sát ống hút ống đẩy: Chuẩn số Reynolds: ReF  vF dtr  F F  0, 204  0, 051 860,3  16761  10000 5,34.104 (6.200) Suy dòng nhập liệu ống chế độ chảy rối Tra bảng II.15 [1,381] suy độ nhám ống 0,2 mm Chuẩn số Reynolds tới hạn: 8  0, 051   d 7 Regh   tr      3377     0, 0002  (6.201) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  0, 051   d 8 Ren  220   tr   220     112145     0, 0002  (6.202) Vì Regh < ReF < Ren nên chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng cơng thức II.64 [1,379] ta có:    100     0,1 1, 46      dtr ReF    0,25   0, 100    0,1 1, 46      51 22336    0,25  0, 033 (6.203) + Xác định tổn thất cục ống hút h: Chỗ uốn cong: tra bảng II.16 [1,382] chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = chỗ uốn có  = 0,15 Ống hút có chỗ uốn suy uon = 0,15   0,3 (6.204) 83 an Van: tra bảng 9.5 [4,110], chọn van cầu với độ mở hồn tồn van có  = 10 Ống hút có van cầu suy van = 110 = 10 (6.204) Vậy h = uon + van = 10,3 (6.205) + Xác định tổn thất cục ống đẩy d: Chỗ uốn cong: tra bảng II.16 [1,382] chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = chỗ uốn có  = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn suy uon 0,15   0,3 (6.206) Van: tra bảng 9.5 [4,110], chọn van cầu với độ mở hồn tồn van có  = 10 Ống đẩy có van cầu suy van = 110 = 10 (6.207) Tổn thất cục từ ống đẩy vào bồn cao vị cv = (6.208) Vậy d = uon + van + cv = 11,3 (6.209)  h1 2 2,5  12   0, 2722   0, 033  10,3  11,3    0,117 m 0, 051   2.9,81 (6.210)  Tính tốn cột áp bơm: P1 v2 P v2   H b  z2    h1 2  F g 2.g  F g 2.g (6.211)  H b   z2  z1   h1 2      0,117  4, m (6.212) z1  Công suất bơm: Chọn hiệu suất bơm  b = 0,8 Vậy công suất thực tế bơm: Nb  Qb H b  g 1,5  4,  860,3  9,81   18, 46 kW 3600.b 3600  0,8 (6.213) Kết luận: để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm luân phiên loại XM có suất làm việc Qb = 1,5m3/h, cột áp Hb = 4,2 m, công suất Nb = 18,5 kW 84 an CHƯƠNG KẾT LUẬN 7.1 kết Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, đề tài giải số vấn đề sau: -Thiết kế tháp chưng cất Etanol-Nước với điều kiện ban đầu cho trước suất, nồng độ nhập liệu, nồng độ độ thu hồi sản phẩm đỉnh - Tính tốn chi tiết q trình làm việc thiết bị khả chịu bền thiết bị mặt ăn mịn hóa học, học, điều kiện làm việc thiết bị -Kết tính toán, thiết kế tháp chưng cất ethanol-nước sau: + Tỉ số hồn lưu thích hợp: R= 3,2497 + Số mâm chưng cất thực tế: 49 mâm + Đường kính tháp chưng cất: 650 mm + Đường kính lỗ mâm: mm + Bề dày mâm: mm +Số lỗ mâm: 1173(lỗ) + Trở lực toàn tháp: 17139,66 (N/m2) + Khoảng cách hai mâm: 250 mm + Chiều cao tháp: 13,564 m + Thân-Đấy-Nấp làm thép X18H10T, có bề dày: 3mm + Bích ghép Thân-Đấy-Nấp làm thép X18H10T, loại bích liền khơng cổ + Đường kính ống dẫn chất lỏng: 44,44 mm + Đường kính ống dẫn hơi: 50 mm + Bích ghép ống dẫn làm thép CT3, loại bích liền không cổ 7.2 Hướng phát triển -Thiết kế lại tháp để giảm số mâm làm việc, nhằm giảm chiều cao tháp, tiết kiệm chi phí chế tạo -Tăng tỉ lệ thu hồi sản phẩm đỉnh 85 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Q trình thiết bị cơng nghệ hố học, truyền khối (tập 3) – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [2] Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam – Q trình thiết bị cơng nghệ hố học, Ví dụ tập(tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ - Q trình thiết bị cơng nghệ hố học, Q trình thiết bị truyền nhiệt(tập 5) – Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM [4] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hoá chất (tập 1, 2) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Hồ Lê Viên – Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hoá chất – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978 [6] Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử - Tập 2- NGUYỄN HỮU TÙNG [7]“Bảng tra cứu trình học – truyền nhiệt – truyền khối”, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TPHCM, 2006, 70tr 86 an an ... tinh dầu hồi từ quả, chưng cất ethanol, chưng cất dầu thơ, 14 an Hình 1.2 Hệ thống chưng cất dầu thô  Một số nghiên cứu tiêu biểu tháp chưng cất nước: -Nằm nội dung nghiên cứu công ty cp công... thiết kế tháp chưng cất ethanol Các số liệu, tài liệu ban đầu: rượu ethanol 20% Nội dung đồ án: - Lý thuyết chưng cất - Cân vật chất - Tính tốn thiết kế tháp chưng cất - Tính tốn thiết bị truyền... 2.3 Thiết bị chưng cất Thiết bị dùng chưng cất bao gồm có thành phần sau: tháp chưng cất, thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh, thiết bị gia nhiệt đáy cịn có thiết bị gia nhiệt dịng nhập liệu 2.3.1 Tháp