Thông tin tài liệu
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHĨA VIỆT NAM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm Bộ môn: Quá trình Thiết bị ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB MÃ SỐ: 605040 Họ tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB Ngành (nếu có): Máy & Thiết Bị Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen có suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu số liệu ban đầu): - Nồng độ nhập liệu: - Nồng độ sản phẩm đỉnh: F = 40%phần khối lượng D = 98% phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm đáy: W = 1% phần khối lượng Nguồn lượng thông số khác tự chọn Nội dung phần thuyết minh tính toán: Xem phần mục lục Các vẽ đồ thị (loại kích thước vẽ): Gồm vẽ A1: vẽ quy trình công nghệ vẽ chi tiết thiết bị Ngày giao đồ án: 6/10/2009 Ngày hoàn thành đồ án: 18/01/2010 Ngày bảo vệ hay chấm: 25/01/2010 Ngày tháng 10 năm 2009 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán hướng dẫn Nhận xét: _ _ _ Điểm: _ Chữ ký: Cán chấm hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét: _ _ _ Điểm: _ Chữ ký: Điểm tổng kết: LỜI MỞ ĐẦU Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Khoa học kỹ thuật ngày phát triển đóng góp to lớn cho cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung Một ngành có đóng góp vơ to lớn ngành cơng nghiệp hố học, đặc biệt ngành sản xuất hoá chất Hiện nay, ngành công nghiệp cần sử dụng nhiều hố chất có độ tinh khiết cao Nhu cầu đặt cho nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm : trích ly, chưng cất, đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen hệ cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen Đồ án mơn học Q trình & Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư Cơng nghệ Hố học tương lai Mơn học giúp sinh viên tính tốn cụ thể : quy trình cơng nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây lần sinh viên vận dụng kiến thức học để giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ đồ án thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen áp suất thưởng với suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy 99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu 40% khối lượng Benzene, nhập liệu trạng thái lỏng sơi MỤC LỤC Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Lời mở đầu CHƯƠNG : TỔNG QUAN I Lý thuyết chưng cất II Giới thiệu sơ nguyên liệu CHƯƠNG : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯƠNG : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .10 I Các thông số ban đầu 10 II Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy thu 10 III Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 11 IV Xác định phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyeát 13 V Xác định số mâm thực tế .14 CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 16 Đường kính đoạn cất .16 Đường kính đoạn chưng .18 Trở lực tháp .20 CHƯƠNG : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 22 I Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .22 II Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu .22 III Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy .22 IV Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .22 V Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp 23 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 24 I Tính tốn thân tháp .24 II Tính tốn chóp .24 III Tính tốn đáy nắp thiết bị 25 IV Bích ghép thân .26 V Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 28 VI Chân đỡ - tai treo 31 I II III I II III IV V VI VII CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU 33 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 33 Thieát bị đun sôi đáy tháp .36 Thiết bị làm nguôïi sản phẩm đỉnh 39 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 43 Thiết bị đun sôi nhập liệu 47 Bồn cao vị .50 Bơm 52 Kết luận 54 Tài liệu tham khảo .54 Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Chương : TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Khái niệm : - Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hoà cấu tử khác nhau) - Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ - Chưng cất cô đặc giống nhau, nhiên khác trình trình chưng cất dung môi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan không bay - Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm : Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) - Đối với hệ Benzen – Toluen Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen toluen Sản phẩm đáy chủ yếu toluen benzen Phương pháp chưng cất : Các phương pháp chưng cất phân loại theo : - Áp suất làm việc : Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử - Nguyên lí làm việc : Chưng bậc Chưng lôi theo nước Chưng cất - Cấp nhiệt đáy tháp : Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục áp suất thường Thiết bị chưng cất : Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha đượ cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo đĩa, ta có : - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, … - Tháp mâm xuyên lỗ : mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn So sánh ưu nhược điểm loại tháp : Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có chất lỏng - Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định khơng cao, khó vận hành - Do có hiệu ứng thành tăng suất hiệu ứng thành tăng khó tăng suất - Thiết bị nặng nề - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Không làm việc - Có trở lực lớn với chất lỏng bẩn - Tiêu tốn nhiều - Kết cấu phức tạp vật tư, kết cấu phức tạp Vậy :qua phân tích ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU : Benzen & Toluen : Benzen: hợp chất mạch vịng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ.Cơng thức phận tử C6H6 Benzen khơng phân cực,vì tan tốt dung mơi hữu khơng phân cực tan nước Trước người ta thường sử dụng benzen làm dung mơi Tuy nhiên sau người ta phát nồng độ benzen khơng khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzen sử dụng hạn chế Các tính chất vật lí benzen: o Khối lượng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng(200C): 0,879 o Nhiệt độ sơi: 80oC o Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C Toluen: hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng có tính thơm ,cơng thức phân tử tương tự benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Khơng phân cực,do toluen tan tốt benzen.Toluen có tính chất dung mơi tương tự benzen độc tính thấp nhiều, nên ngày thường sử dụng thay benzen làm dung mơi phịng thí nghiệm cơng nghiệp Các tính chất vật lí toluen: o Khối lượng phân tử : 92,13 o Tỉ trọng (20oC) : 0,866 o Nhiệt độ sơi : 111oC o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC Các phương thức điều chế : o Đi từ nguồn thiên nhiên Thơng thường hidrocacbon điều chế phịng thí nghiệm, thu lượng lớn phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ… o Đóng vịng dehiro hóa ankane o Các ankane tham gia đóng vịng dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm nhiệt độ cao có mặt xúc tác Cr2O3, hay lim loại chuyển tiếp Pd, Pt Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn CH3(CH2)4CH3 C6H6 o Dehidro hóa cycloankane Các cycloankane bị dehidro hóa nhiệt độ cao với có mặt xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay dẫn xuất cảu benzen C6H12 C6H6 o Đi từ acetylen Đun acetane có mặt cảu xúc tác than hoạt tính hay phức niken Ni(CO)[(C6H5)P] thu benzen 3C2H2 C6H6 o Từ benzen ta điều chế dẫn xuất benzen toluen phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen dẫn xuất ankyl halide với có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan C6H6 + CH3- Cl C6H5-CH3 Hỗn hợp benzen – toluen : Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzen – Toluen 760 mmHg.(Tham khảo STT1) x (% phân mol) y (% phân mol) t (oC) 0 110,6 11,8 108,3 10 21,4 106,1 20 38 102,2 30 51,1 98,6 40 61,9 95,2 50 71,2 92,1 60 79 89,4 70 85,4 86,8 80 91 84,4 90 95,9 82,3 100 100 80,2 Chương : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen 40% (phần khối lượng), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu 300C bình chứa nguyên liệu (1), bơm (2) bơm lên bồn cao vị Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn (3) Dòng nhập liệu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi thiết bị truyền nhiệt ống chùm Sau hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (6) đĩa nhập liệu bắt đầu trình chưng cất Lưu lượng dịng nhập liệu kiểm sốt qua lưu lượng kế (14) Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, lên gặp lỏng từ xuống Ở có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống phía giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (10) lôi cấu tữ dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao toluen ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều (nồng độ 98% phần khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (7) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), làm nguội thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9) Phần lại chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa với tỉ số hồn lưu thích hợp kiểm soát lưu lượng kế(5) Cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (Toluen) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Toluene 99% phần khối lượng, cịn lại Benzene Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau vào bồn chứa sản phẩm đáy(12) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Benzen, sản phẩm đáy Toluen Trang ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Chương : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU : Chọn loại tháp tháp mâm chóp Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen cấu tử dễ bay Benzen Hỗn hợp: Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 200l/h Nồng độ nhập liệu : xF = 40% phân khối lượng Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 98% phân khối lượng Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 99% phân khối lượng Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu trạng thái lỏng sơi Chọn: Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 94oC Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: tWR = 35oC Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 30oC Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 40oC Các ký hiệu: , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DÒNG SẢN PHẨM ĐÁY: MF =xF.MB + (1-xF).MT = 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol MD =xD.MB + (1- xD).MT = 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol MW =xW.MB + (1- xW).MT = 0,01 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol Dòng sản phẩm đỉnh có nhiệt độ 800C nên ta có khối lượng riêng dòng này: kg/m3, kg/m Trang 10 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Với tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngoài ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: , W/m2 Trong đó: + tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ) + Bề dày thành ống: t = 1,6 mm Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 17,5 W/m.K Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 m2.oK/W Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm ñænh: r = 1/5800 (m2 K/W) Suy ra: rt = 1/2155,9 (m2 K/W) Vậy: qt = 2155,9.(tw1-tw2) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Vận tốc nước ống: (m/s) Chuẩn số Reynolds : > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re N tỷ lệ chiều dài ống với đường kính oáng : Re N = 13779,94, choïn l =1 + PrN : chuẩn số Prandlt nước 34 oC, nên PrN = + Prw2 : chuẩn số Prandlt nước nhiệt độ trung bình vách Suy ra: Hệ số cấp nhiệt nước ống: N = Nhiệt tải phía nước làm lạnh: Trang 42 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn W/m2 Chọn: tw1 = 50,5oC : Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh tra tài liệu tham khảo ứng với nhiệt độ tw1=50,5oC: + Nhiệt dung riêng: c = 1906,38 J/kg.độ + Độ nhớt động lực: = 0,423.10-3 N.s/m2 + Hệ số dẫn nhiệt: = 0,138 W/moK Khi : Prw1 = Từ (IV.9): qD = W/m2 Xem nhiệt tải mát không đáng kể: q t = qD = W/m2 Từ (IV.10), ta có: tw2 = tw1 - = 43,8oC Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], Prw2 = 4,10 Từ (IV.11): qN = W/m2 Kiểm tra sai số: = = 13,29% sai số chấp nhận nên ta chọn Vậy: tw1 = 50,5oC tw2 = 43,8oC Khi đó: W/m2.oC W/m2.oC W/m2.oC Từ (IV.7), bề mặt truyền nhiệt trung bình: = 0,316 m2 Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L m Chọn: L = m,(dự trữ khoảng 15%) Kiểm tra: l = 1: thoả Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = m, chia thành dãy, dãy ống ống m Trang 43 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn IV THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY : Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T: Kích thước ống trong: 16 x 1,6 Kích thước ống ngoài: 25 x 2,5 Chọn: Nước làm lạnh ống với nhiệt độ vào t V = 27oC nhiệt độ tR = 43oC Sản phẩm đáy ống với nhiệt độ vào t WS = 110,2oC nhiệt độ tW = 35oC Suất lượng nước làm lạnh cần dùng: Như phần cân nhiệt lượng tính, ta có lượng nhiệt trao đổi QW = 11,86 kW Tra baûng 1.250, trang 312, ST I Enthalpy nước 27 oC = hV = 113,13 kJ/kg Enthalpy nước 43 oC = hR = 180,17 kJ/kg Suất lượng nước cần dùng: = = 636,8 kg/h Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: = 27,82 K Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: W/m2.K Với: n : hệ số cấp nhiệt dòng nước lạnh W/m2.K W : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy W/m2.K rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 3.1 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống: Kích thước ống trong: Đường kính ngoài: dn = 16 mm = 0,016 m Bề dày ống: t = 1,6 mm = 0,0016 m Đường kính trong: dtr = 0,0128 m Nhiệt độ trung bình dòng nước ống: t f = ½ (tV + tR) = 35 oC Tại nhiệt độ thì: Trang 44 ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Khối lượng riêng nước: n = 994 kg/m3 Độ nhớt nước: n = 7,23.10-7 m2/s Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,626 W/mK Chuẩn số Prandtl: Prn = 4,9 Vận tốc nước ống: = 1,383 m/s Chuẩn số Reynolds : = 24484.65 > 104 : chế độ chảy rối Áp dụng công thức (11), trang 7, chuẩn số Nusselt: công thức xác định Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống Re, ta chọn 1 = theo bảng trang Hệ số cấp nhiệt nước ống: n = 3.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: , W/m2 Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống trong), oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước lạnh (ngoài ống trong), oC Bề dày thành ống: t = 0,003 m Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 16,3 W/mK Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5000 m2.K/W Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 m2.K/W Nên: rt = 5,565.10-4 m2.K/W 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ống: Kích thước ống ngoài: Đường kính ngoài: Dn = 25 mm = 0,025 m Bề dày ống: t = 2,5 mm = 0,0025 m Đường kính trong: Dtr = 0,02 m Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm đáy ống: t W = ½ (tWS + tWR) = 72,6 oC Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng Benzen : B = 822,029 kg/m3 Trang 45 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Khối lượng riêng Toluen : T = 814,196 kg/m3 = 814,224 kg/m3 Nên: Độ nhớt Benzen : B = 3,409.10-4 N.s/m2 Độ nhớt Toluen : T = 3,315.10-4 N.s/m2 Neân: lg = xWlgB + (1 - xW)lgT = 3,316.10-4 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt sản phẩm đáy : W = 0,146 W/mK Nhieät dung riêng Benzen : cB = 1980,28 J/kgK Nhiệt dung riêng Toluen : cT = 1941,04 J/kgK Nên: c = cB + cT (1 ) = 1941,18 J/kgK Áp dụng công thức (V.35), trang 12, STQTTB : = 4,42 Vận tốc dòng sản phẩm đáy ống: = 0,73 m/s Đường kính tương đương: dtđ = Dtr – dn = 0,02 – 0,016 = 0,004 m Chuẩn số Reynolds : = 7169,89 < 104 : chế độ chảy chuyển tiếp Áp dụng công thức (10), trang 6, chuẩn số Nusselt: công thức xác định Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống Tra bảng 2, trang 6, chọn 1 = 1,9 Tra bảng 2, trang 6, chọn C = 27 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ống: W = Dùng phép lặp: chọn tW1 = 60 oC Tại nhiệt độ thì: Độ nhớt benzen : B = 3,86.10-4 N.s/m2 Độ nhớt toluen : T = 3,78.10-4 N.s/m2 Neân: lgW1 = xWlgB + (1 – xW)lgT W1 = 3,78.10-4 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt sản phẩm đáy : W = 0,1275 W/mK Nhiệt dung riêng Benzen : cB = 1935,25 J/kgK Nhiệt dung riêng Toluen : cT = 1904 J/kgK Neân: cW1 = cB + cT (1 ) = 1904,3 J/kgK Ta có: = 5,66 Trang 46 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Neân: W = qW =W (tW – tW1) = (76,2 – 60) = 25740,44 W/m2 qt = qW = 25740,44 W/m2 (xem nhiệt tải mát không đáng kể) tw2 = tw1 - qtrt = 41,2 oC PrW2 = 4,31 Nun = 153,4 n = 4801,55 W/m2K qn = n (tW2 – tf) = 28809,33 W/m2 Kiểm tra sai số: = 100% = 0,106 chọn khoảng ~ 5% phù hợp nên kết chấp nhận Kết luận: tw1 = 60 oC tw2 = 41oC 3.4 Xác định hệ số truyền nhiệt: = 798,62 W/m2K Bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: = 0,12 m2 F= Cấu tạo thiết bị: Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 2,12 m chọn L = 2,5 m Kiểm tra: = 195 > 50 l = 1: thoûa Kết luận: Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với tổng chiều dài ống truyền nhiệt L = 2,5 m, chia thành hàng ống hàng có ống dài 0,5 m V THIẾT BỊ ĐUN SƠI NHẬP LIỆU Chọn thiết bò gia nhiệt nhập liệu thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3: Đường kính ngoài: dn = 38 mm = 0,038 m Trang 47 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Bề dày ống: t = mm = 0,003 m Đường kính trong: dtr = 0,032 m Hơi đốt nước 2,5at oáng 38 x Tra baûng 1.251, trang 314, STQTTB : Nhiệt hóa hơi: = rn = 2189500 J/kg Nhiệt độ sôi: = tn = 126,25 oC Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ: Trước vào nồi đun (lỏng): tF = 30 oC Sau đun (lỏng sơi): tS2 = 94 oC Suất lượng nước cần dùng: Tra bảng 1.251, trang 314, [5] Nhiệt hóa nước 2,5 at = = 2189,5 kJ/kg Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: = 58,95 K Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức tường phẳng: ,W/m2.K Với: n : hệ số cấp nhiệt đốt W/m2.K F : hệ số cấp nhiệt dịng nhập liệu W/m2.K rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 3.5 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: , W/m2 Trong đó: tF2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt phía vỏ, oC tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nhập liệu ống, oC Bề dày thành ống: t = 0,003 m Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 16,3 W/mK (Bảng XII.7, trang 313, STQTTB ) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r = 1/5800 m2.K/W (Bảng 31, trang 419, [4]) Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 m2.K/W Nên: rt = 5,289.10-4 m2.K/W 3.6 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: Tại nhiệt độ sôi trung bình dịng nhập liệu tFtb = 620C: Trang 48 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Khối lượng riêng benzen : B = 836 kg/m3 Khối lượng riêng toluen : T = 828 kg/m3 = 831,2 kg/m3 Nên: Độ nhớt toluen : T = 3,81.10-4 N.s/m2 Độ nhớt benzen : B = 3,9.10-4 N.s/m2 Neân: lg = xFlgB + (1 – xF)lgT = 0,4.lg(3,9.10-4) + (1 - 0,4)lg(3,81.10 ) = 3,85.10-4 N.s/m2 Heä số dẫn nhiệt hỗn hợp : = 0,149 W/mK Nhiệt dung riêng benzen : cB = 2157,45 J/kg.K Nhiệt dung riêng toluen : cT = 2108,19 J/kg.K Neân: c = cN + cA (1 ) = 2108,37 J/kgK Áp dụng công thức (V.35), trang 12, ]: = 1,94 Vận tốc dòng nhập liệu ống: = 0,167 m/s Chuẩn số Reynolds : = 11534,71 > 104 : chế độ chảy rối Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4] Công thức xác định chuẩn số Nusselt: Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỉ lệ chiều dài đường kính ống 3.7 Xác định hệ số cấp nhiệt nước phía vỏ : Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4]: Dùng phép lặp: chọn tF1 = 122,8 oC Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = 126,25 oC Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước: n = 937,935 kg/m3 Độ nhớt nước: n = 2,25.10-4 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,686 W/mK Nên: n = 10849,76 W/m2K qn = n (tn – tW1) = 16820,49 W/m2 qt = qn = 16530,1 W/m2 (xem nhieät tải mát không đáng kể) tF2 = tF1 - qtrt = 116oC Với tF2 = 1160C tính chất dịng nhập liệu ống Khối lượng riêng benzen : B = 775 kg/m3 Khối lượng riêng toluen : T = 780,5 kg/m3 Trang 49 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn = 781,25 kg/m3 Nên: Độ nhớt benzene : B = 2,27.10-4 N.s/m2 Độ nhớt toluene : T = 2,39.10-4 N.s/m2 Neân: lg = xFlgB + (1 – xF)lgT = 0,4.lg(3,9.10-4) + (1 - 0,4)lg(3,81.104 ) = 2,32.10-4 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp : = 0,128 W/mK Nhiệt dung riêng benzen : cB = 2168,45 J/kg.K Nhiệt dung riêng toluen : cT = 2118,19 J/kg.K Nên: cF = cN + cA (1 ) = 2130,37 J/kgK Áp dụng công thức (V.35), trang 12, : = 3,31 = 704,56 F = 2818,23 W/m2K (với q = qt) qF = F (tF2 – tF) = 17134,8 W/m2 Kiểm tra sai số: = 100% = 1,8% < 5% (thỏa) Kết luận: tw1 = 122,8oC tw2 = 116 oC 3.8 Xác định hệ số truyền nhiệt: = 1024,69 W/m2K Bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F= 10 m2 lấy dư bề mặt truyền nhiệt F = 0,5 m2 Cấu tạo thiết bị: Chọn số ống truyền nhiệt: n = 19 ống Ống bố trí theo hình lục giác Chiều dài ống truyền nhiệt: L = 0,6 m Tra baûng V.II, trang 48, sáu cạnh ốn = 0,523 m chọn L = Số ống đường xun tâm hình VI BỒNCAO VỊ : Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 80 mm Trang 50 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Tra bảng II.15, trang 381, [5] Độ nhám ống: = 0,2 mm = 0,0002 m (ăn mòn ít) Tổn thất đường ống dẫn: m Trong đó: 1 : hệ số ma sát đường ống l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30 m d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,08m 1 : tổng hệ số tổn thất cục vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 1.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: tF = = 62 oC Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng benzen : B = 836 kg/m3 Khối lượng riêng toluen : T = 828 kg/m3 Nên: F = 832 kg/m3 Độ nhớt benzen : B = 4,335.10-4 N.s/m2 Độ nhớt toluen : T = 4,045.10-4 N.s/m2 F = 4,129.10-4 N.s/m2 Vận tốc dòng nhập liệu ống: = 0,114 m/s 1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : = 18461,54 > 4000 : chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/)8/7 = 5648,513 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Re n = 220(d1/)9/8 = 186097,342 Vì Regh < ReF < Ren chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [5]: 1= = 0,031 1.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục : Chỗ uốn cong : Trang 51 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d =2 u1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn u1 = 0,15 = 0,9 Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn van (1 cái) = 10 Đường ống có van cầu van = 10 = 20 Lưu lượng kế : l1 = (coi không đáng kể) Vào tháp : tháp = Nên: 1 = u1 + van + ll = 21,9 Vaäy: = 0,022 m 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 p dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) vaø (2-2): z1 + + z1 = z2 + = z2 + + +hf1-2 +hf1-2 Trong đó: 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 mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1)h + 0,4 = 0,18 + 0,150 + (14 – 1)0,25 + 0,4 = 3,98 m P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), choïn P = at = 9,81.10 N/m2 P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem P = P2 – P1 = nttL PL = 12 2040= 24485 N/m2 v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = m/s v2 : vận tốc vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,32 m/s hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): hf1-2 = 0,662m Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + = 3,98 + +hf1-2 + 0,662 = 8,78 m Choïn Hcv = 10 m VII BƠM : Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 30oC Trang 52 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng benzen : B = 869,25 (kg/m3) Khối lượng riêng toluen : T = 855,39 (kg/m3) F = 858,78 (kg/m3) Nên: Độ nhớt benzen : B = 5,91.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt toluen : T = 5,39.10-3 (N.s/m2) Neân: lgF = xFlgB + (1 – xF)lgT F = 5,541.10-4 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: = 0,5 m3/h Vậy: chọn bơm có suất Qb = 0,5 (m3/h) 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) vaø (2-2): z1 + + + Hb = z + + +hf1-2 Trong đó: z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 10m 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 v 1= v2 = m/s hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) Hb : cột áp bơm 2.1 Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 50 mm Tra baûng II.15, trang 381, [5] Độ nhám ống: = 0,2 mm = 0,0002 m (ăn mòn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy hf1-2 = Trong đó: lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: Tra baûng II.34, trang 441, [5] hh = 4,3 m Chọn lh = m lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 15 m h : tổng tổn thất cục ống hút Trang 53 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn đ : tổng tổn thất cục ống đẩy : hệ số ma sát ống hút ống đẩy vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy m/s = 0,36 m/s Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : = 27122,63 > 4000 : chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(dtr/)8/7 = 3301,065 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Re n = 220(dtr/)9/8 = 109674,381 Vì Regh < ReF < Ren chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [5]: = = 0,03124 Xác định tổng tổn thất cục ống hút : Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn u1 = 0,15 = 0,3 Van : Tra baûng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn v1 (1 cái) = 10 Ống hút có van cầu v1 = 10 Nên: h = u1 + v1 = 10,3 Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy : Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn u2 = 0,15 = 0,6 Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn v2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu v2 = 10 Vào bồn cao vị : cv = Nên: đ = u1 + v1 + cv = 11,6 Vậy: hf1-2 = = 0,2 m 2.2 Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = (10 – 1) + 0,2 = 9,2 m Trang 54 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Công suất: Chọn hiệu suất bơm: b = 0,8 Công suất thực tế bơm: Nb = = 13,45 W Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 0,5 m3/h - Cột áp: Hb = 9,2 m - Công suất: Nb = 13,45 W KẾT LUẬN Với quy trình cơng nghệ tính tốn ta thấy lượng nhiệt đáng kể cần giải ngưng tụ sản đỉnh, giải nhiệt sản phẩm đỉnh giải nhiệt cho sản phẩm đáy chưa tận dụng để gia nhiệt cho dịng nhập liệu Nhưng q trình tính tốn để gia nhiệt cho dòng nhập liệu tới trạng thái lỏng sơi tận dụng nhiệt chưa đủ để gia nhiệt tới lỏng sơi phải tốn thêm thiết bị, đường ống… làm tăng chi phí phân xưởng Vấn đề tận dụng nhiệt vấn đề thực tế quan tâm, giải pháp để cao hiệu trình tiết kiệm lượng, giới hạn thời gian, khả kinh nghiệm thực tế nên em chưa phân tích tính tốn đánh giá mức q trình Đồ án mơn học mơn học tổng hợp mang lại cho em nhiều kinh nghiệm để tính tốn thiết kể hồn chỉnh q trình sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr [2] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [3] Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [4] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [5] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr Trang 55 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn [6] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr [7] Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính toán thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978, 286tr [8] Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sở tính toán Máy Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1984, 134tr Trang 56 ... cách tổng hợp Nhiệm vụ đồ án thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen áp suất thưởng với suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng... ankyl hóa benzen dẫn xuất ankyl halide với có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan C6H6 + CH3- Cl C6H5-CH3 Hỗn hợp benzen – toluen : Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzen – Toluen. .. uốn: l1 = l2 = = = = 15 mm = 38 mm S – bề dày thiết bị, mm P – áp suất môi trường thiết bị N /mm2 db – đường kính ngồi bulong, mm - ứng suất cho phép vật liệu làm bulong - ứng suất cho phép vật liệu
Ngày đăng: 20/03/2023, 16:40
Xem thêm:
