Đồ án môn học quá trình thiết bị thiết kế hệ thống chưng cất hệ acetone – nước bằng tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC - - ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE – NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi Sinh viên thực : Phạm Thành Trung - 19128095 Phạm Phương Hiền - 19128031 Năm học 2021 - 2022 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC -oOo - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi Họ tên sinh viên thực hiện: MSSV 1.Phạm Phương Hiền 19128031 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone– nước tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu trạng thái lỏng sôi Số liệu ban đầu: − Năng suất nhập liệu: 2000kg/h − Nồng độ cấu tử dễ bay nhập liệu: 20%kl − Nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đỉnh: 90% kl − Nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đáy: 0.005% Nội dung thực hiện: − Mở đầu − Chọn thuyết minh quy trình cơng nghệ − Tính cân vật chất lượng − Tính tốn cơng nghệ thiết bị − Tính tốn kết cấu thiết bị − Tính chọn thiết bị phụ − Kết luận − Tài liệu tham khảo − Phụ lục (nếu có) Bản vẽ: 1- Sơ đồ quy trình cơng nghệ (khổ giấy A3) 1-2 vẽ thiết bị (khổ giấy A1) Ngày giao nhiệm vụ: Ngày nộp đồ án: TP.HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2022 Trưởng mơn Giảng viên hướng dẫn Phạm Hồng Huy Phước Lợi TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN - MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ – NĂM HỌC 2021 – 2022 MÃ MƠN HỌC: PWPD322703 GVHD: TS Phạm Hồng Huy Phước Lợi Sinh viên: Phạm Phương Hiền MSSV:19128031 Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE – NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI Kết đánh giá Nội dung STT Thang Điểm điểm số Xác định đối tượng yêu cầu thiết kế – 1,0 Lập qui trình cơng nghệ tính tốn chi tiết thiết bị – 2,5 Đánh giá phù hợp, điểm mạnh, yếu thiết kế – 0,75 Lập kế hoạch triển khai thực thiết kế – 0,75 Lập vẽ với phần mềm chuyên dụng – 2,5 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, xác logic – 1,0 Hồn thành trách nhiệm cá nhân nhóm – 0,75 Thực kế hoạch công việc GV giao – 0,75 TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chính điểm chẵn) 10 Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm Các nhận xét khác (nếu có) Kết luận Được phép bảo vệ :  Không phép bảo vệ :  Ngày 21 tháng 06 năm 2022 Người nhận xét (Ký & ghi rõ họ tên) TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN - MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ – NĂM HỌC 2021 - 2022 MÃ MÔN HỌC: PWPD322703 GVPB: Sinh viên: Phạm Phương Hiền MSSV:19128031 Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE – NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI Kết đánh giá: Nội dung STT Thang Điểm điểm số Lập qui trình cơng nghệ tính tốn chi tiết thiết bị – 2,5 Lập vẽ với phần mềm chuyên dụng – 2,5 Hồn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, xác logic – 1,0 Trình bày nội dung cốt lõi đồ án – 1,0 Trả lời câu hỏi phản biện – 3,0 TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….) 10 Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm Các nhận xét khác (nếu có) Ngày …… tháng…… năm 2022 Người phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình thực đồ án mơn học Q trình Thiết bị em nhận quan tâm, hướng dẫn giúp đỡ tận tình quý thầy cô môn đặc biệt thầy TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi người trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hồn thành đồ án mơn học Nhờ có dẫn thầy mà chúng em tích lũy thêm nhiều kiến thức, kinh nghiệm kỹ cần thiết để phục vụ khơng cho đồ án mơn học mà cịn cho công việc sống chúng em sau Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy với quý thầy cô môn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, cô phản biện Cảm ơn quý thầy, cô dành thời gian để xem xét thiếu sót chúng em thực đồ án giúp chúng em tích lũy thêm kinh nghiệm, kiến thức để tiến tương lai Trong q trình hồn thành đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý dạy từ q thầy, Em xin chân thành cảm ơn! i Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hỗn hợp acetone – nước 1.1.1 Acetone 1.1.1.1 Điều chế 1.1.1.2 Ứng dụng 1.1.2.Nước 1.1.3.Hỗn hợp acetone - nước CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 12 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 12 2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ 12 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 13 3.1 Giả thuyết: 13 3.1.1 Yêu cầu thiết bị: 13 3.1.2 Các thông số ban đầu: 13 3.1.3 Các ký hiệu sử dụng: 13 3.1.4 Tính tốn dịng cân vật chất 14 3.2 Xác định số hồi lưu 15 3.2.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: 15 3.2.2 Phương trình làm việc xác định số mâm 16 3.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất: 16 3.2.2.2 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng: 17 CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 21 4.1 Cân nhiệt lượng tháp chưng cất 21 4.1.1 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào tháp QF 21 4.1.2 Nhiệt lượng đốt mang vào tháp QD2 21 4.1.3 Nhiệt lượng lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào 21 4.1.4 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang Qw: 22 4.1.5 Nhiệt lượng nước ngưng mang Qng2 23 i 4.1.6.Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh Qxq2: 23 4.2 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 24 4.3 Cân nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 24 4.4 Cân nhiệt lượng thiết bị đun sơi dịng nhập liệu: 24 CHƯƠNG : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 29 5.1 Kích thước tháp chưng cất 29 5.1.1 Đường kính tháp Dt 29 5.1.2 Đường kính đoạn cất 29 5.1.3 Đường kính đoạn chưng 32 5.2 Cấu tạo mâm lỗ 35 5.2.1 Trở lực đĩa khô 36 5.2.2 Trở lực sức căng bề mặt: 37 5.2.3 Trở lực thủy tĩnh chất lỏng đĩa tạo ra: 38 5.2.4 Tổng trở lực thuỷ lực tháp: 40 5.2.5 Kiểm tra hoạt động mâm: 41 5.3 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động: 41 5.4 Tính tốn khí tháp 43 5.4.1 Chiều cao thân tháp 43 5.4.2 Chiều cao đáy (nắp) 43 5.4.3 Tính tốn khí tháp: 43 5.4.4 Bích ghép thân, đáy nắp: 46 5.4.5 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn: 47 5.5 Tai treo chân đỡ 54 5.5.1 Tính trọng lượng tồn tháp: 54 5.5.2 Chân đỡ tháp 55 5.5.4 Kính quan sát 57 CHƯƠNG : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 58 6.1 Thiết bị nhiệt 58 6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 58 6.1.1.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng 58 6.1.1.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit 59 ii 6.1.1.3 Hệ số truyền nhiệt K 59 6.1.1.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình 63 6.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 64 6.1.2.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt: 65 6.1.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt cấu tạo thiết bị 69 6.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 70 6.1.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 71 6.1.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt cấu tạo thiết bị 75 6.1.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 75 6.1.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 76 6.1.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt cấu tạo thiết bị 80 6.2 Bồn cao vị 81 6.2.1 Tổn thất đường ống dẫn 81 6.3.2.Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu 84 6.3.3 Chiều cao bồn cao vị 86 6.4 Bơm 87 6.4.1 Năng suất 87 6.4.2 Cột áp 87 6.4.2 Công suất 91 KẾT LUẬN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 iii (W/m.K) (bảng I.130/134) (bảng I.153 (bảng (bảng I.242/300) I.212/254) I.154/171172) Acetone 699,747 0,00018 0,152 2,418 0,014 114,427 Nước 961,633 0,0003 0,678 4,219 0,599 544,19 Hỗn hợp 824,038 0,00027 0,35 3,415 0,014 537,342 → αW = 7,77 × 10−2 ( 𝜌ℎ 𝑟 𝜌− 𝜌ℎ 𝜌 𝜆0,75 𝑞0,7 𝜎 𝜇0,45 𝐶 0,117 𝑇𝑠0,37 )0,033 ( )0,033 = 3,05 𝑞0,7 (5.3) Chọn tW1 = 118,8°C Khi nhiệt độ trung bình ttb = 𝑡𝑠𝑁 + 𝑡𝑊1 = 119,6+118,8 = 119,2°C Tại nhiệt độ (tra bảng I.149/311, [1]): Khối lượng riêng nước: ρN = 943,732 (kg/m3) Độ nhớt nước:𝜇 N = 2,39.10-4 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt nước: 𝜆N = 0,686 W/mK Nhiệt hóa nước (tra bảng I.250/312, [1]):rN = 2208,12 (kJ/kg) Từ (5.1) , (5.2) suy ra: αN = 2570,89 (W/m2.K) qN = αN (119,62 − t w1 ) = 2056,72 (W/m2 ) Xem nhiệt tải mát không đáng kể qt = qN = 2056,72 W/m2 qt = 𝑡𝑊1 − 𝑡𝑊2 0,323𝑥10−3 79 → tW2 = tW1 – qt 0,323 10-3 = 118,8 – 2056,72.0,323 10-3 = 118,136°C Từ (5.3), với q= qt = qN = 2056,72 W/m2 suy ra: αW = 635,24 (W/m2.K) qW = αW (t w2 − t 𝑠 ) = 635,24 (118,136 − 94,81) = 2005,96 (W/m2) Kiểm tra sai số ε= |𝑞𝑁 − 𝑞𝑤 | 𝑞𝑤 = |2056,72−2005,96 | 2056,72 = 2,53%< 5% → Thỏa mãn điều kiện Vậy tW1 = 118,8°C tW2 = 118,136°C Vậy hệ số truyền nhiệt K= 1 + ∑ 𝑟𝑡 + 𝛼𝑁 𝛼𝑊 = 1 +0,32 × 10−3 + 2570,89 635,24 = 437,47 ( 𝑊 𝑚2 𝐾 ) 6.1.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt cấu tạo thiết bị Bề mặt truyền nhiệt trung bình (Theo ([8]) trang 169) Ftb = 𝑄𝐷2 𝐾∆𝑡𝑙𝑜𝑔 = 1098364,1 1000 3600 437,47.24,67 = 28,26 (m2) Chọn số ống truyền nhiệt ntn = 61 ống Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%): L’ = 𝐹𝑡𝑏 × 110% 𝑑 +𝑑 𝜋𝑛𝑡𝑛 𝑛 𝑡𝑟 = 28,26.110% 0,025+0,021 𝜋 61 = 7,05 (m) → Chọn L = m Ống bố trí theo hình lục giác ([2], trang 48, cơng thức V.139) Số ống cạnh hình cạnh ntn = 3a(a – 1) + ↔ 61 = 3a(a – 1) + → a = (ống) Số ống đường chéo hình cạnh b = 2a - = - = (ống) 80 Chọn bước ống: t = 1,2dn = 1,2 0,025 = 0,03 (m) Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt ([2], trang 49, công thức V.140) D = t(b - 1) + 4dn = 0,03.(9 – 1) + 4.0,025 = 0,34 (m) Vậy: Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với số ống n =61, chiều dài ống truyền nhiệt L = 7(m) 6.2 Bồn cao vị 6.2.1 Tổn thất đường ống dẫn Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 50 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1]  Độ nhám ống:  = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổn thất đường ống dẫn: ℎ1 = (𝜆1 𝑙1 𝑑1 + 𝛴𝜉1 ) 𝑣𝐹 2𝑔 (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 = 0,05(m) 1 : tổng hệ số tổn thất cục vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Các tính chất lí học dịng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình Ta có: ttbF = ′ 𝑡𝐹 + 𝑡𝐹 = 30 + 64.5 = 47,25°C 81 Bảng 6.7 Thông số hệ ttbF = 47,25°C lượng Khối Thông số (kg/m3) riêng Độ nhớt (N.s/m2) (I.101/92) (bảng I.2/9) Acetone 761,070 0,00025 Nước 989,165 0,00059 Hỗn hợp 872,500 0,0005 Vận tốc dòng nhập liệu ống: 𝑣𝐹1 = 4𝐹 3600𝜌𝐹 𝜋𝑑𝑡𝑟 = 4.2000 3600.872,5.𝜋.0,052 = 0,324 (m/s) Xác định hệ số ma sát đường ống Chuẩn số Reynolds : 𝑅𝑒𝐹 = 𝑣𝐹 𝑑𝑡𝑟𝜌𝐹 𝜇𝐹 = 0,324.0,05.872,5 5.10−4 = 28418,989 > 10000 : chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn ([1], trang 378, công thức II.60): Regh = 6(d1/)8/7 =3301,065 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám([1], trang 379, công thức II.62) 𝑑 Ren = 220 x ( 1)9/8 = 220 x ( 𝜀 100 9/8 ) 0,2 = 109674,381 Ta thấy Regh < ReF < Ren khu vực độ - khu vực nằm khu vực nhẵn thủy lực khu vực nhám Hệ số ma sát khu vực chảy độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds độ nhám thành ống 82 Tỷ số 𝜀 𝑑1 = 0,002 0,05 = 0,004→ 0,00008 < 𝜀 𝑑1 < 0,0125 Hệ số ma sát xác định theo công thức ([1], trang 380, cơng thức II.64) λ1 = 0,1 × (1,46 × 𝜀 𝑑1 + 100 0,25 ) 𝑅𝑒𝐹 = 0,1 𝑥 (1,46 × 0,2 50 + 100 )0,25 = 0,031 14209,5 Xác định tổng hệ số trở lực cục Chỗ uốn cong ([1], trang 393, bảng II.16) Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn θ = 90° (tương ứng A = 1,0), bán kính R cho: 𝑅 𝑑1 𝑎 = (tương ứng B = 0,15); tỷ lệ = (tương ứng C =1,0) 𝑏 Ta được: ξ = ABC = 1,0 x 0,15 x 1,0 = 0,15 Đường ống có chỡ uốn  u1 = 0,15 = 0,9 Van ([1], 397, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn Khi mở hoàn toàn, giá trị ξ tương ứng với tốc độ ống xác định theo bảng No37 Với đường kính ống d1 = 100 mm ta có ξ = 4,10 Đường ống có van nên ξv1 = 4,10 × = 8,20 Lưu lượng kế: ξll = (coi không đáng kể) Vào tháp: ξtháp= Vậy Σξ1 = ξu1 + ξv1 + ξll + ξtháp = 0,9 + 8,20 + + = 10,1 Tổn thất đường ống dẫn h1 = (𝜆1 𝑙1 𝑑1 + 𝛴𝜉1 ) 𝑉𝐹1 2𝑔 = (0,031 x 30 0,100 + 10,1) x 0,812 𝑥 9,81 = 0,07 (m) 83 6.3.2 Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu Chọn đường kính ống dẫn từ bồn cao vị qua thiết bị đun sôi nhập liệu d2 = dtr(nl) = 32 mm Chọn ống ngun, ăn mịn ít, tra bảng ([1], trang 381, bảng II.15) ta có độ nhám ống ε = 0,2 mm Chiều dài đường ống dẫn l2 = 15 m Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : VF2 = 4𝐺𝐹 𝜌𝐹 𝜋𝑑22 = 𝑥 2000 872,5.𝜋.3600.0,0922 = 0,792 (m/s) Xác định hệ số ma sát đường ống λ Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống dẫn ReF = 𝑉𝐹2 𝑑2 𝜌𝐹 𝜇𝐹 = 0,792 𝑥 0,032 𝑥 872,5 0,5 𝑥 10−3 = 44404,67 Chuẩn số Reynolds tới hạn ([1], trang 378, công thức II.60) 𝑑 32 𝜀 0,2 Regh = x ( 2)8/7 = x ( )8/7 = 1982,19 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám([1], trang 379, công thức II.62) 𝑑 32 𝜀 0,2 Ren = 220 x ( 2)9/8 = 220 x ( )9/8 = 66383,12 Ta thấy Regh < ReF < Ren khu vực độ - khu vực nằm khu vực nhẵn thủy lực khu vực nhám Hệ số ma sát khu vực chảy độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds độ nhám thành ống Tỷ số 𝜀 𝑑2 = 0,2 32 = 6,25 x 10-3 → 0,00008 < 𝜀 𝑑2 < 0,0125 84 Hệ số ma sát xác định theo công thức ([2], trang 380, cơng thức II.64) λ2 = 0,1 × (1,46 × 𝜀 𝑑2 + 100 0,25 𝑅𝑒𝐹 ) = 0,1 × (1,46 × 0,2 32 + 100 44404,67 )0,25 = 0,033 Xác định tổng hệ số trở lực cục Chỗ uốn cong ([1], trang 393, bảng II.16) Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn θ = 90° (tương ứng A = 1,0), bán kính R cho: 𝑅 𝑑1 𝑎 = (tương ứng B = 0,15); tỷ lệ = (tương ứng C =1,0) 𝑏 Ta được: ξ = ABC = 1,0 x 0,15 x 1,0 = 0,15 Đường ống có tổng cộng vị trí uốn nên ξu1= 0,15 × = 0,45 Van ([1], trang 397, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn Khi mở hoàn toàn, giá trị ξ tương ứng với tốc độ ống xác định theo bảng No37 Với đường kính ống d2 = 32mm ta có ξ = 6,14 Đường ống có van nên ξv1 = x 4,060 = 4,060 Đột thu ([1], trang 388, bảng II.16) Khi 𝐹0 𝐹1 = 0,0922 0,1002 = 0,846 => ξ = 0,122 Có chỡ đột thu nên ξt2 = 0,122 Đột mở ([1], trang 387, bảng II.16) Khi 𝐹0 𝐹1 = 0,0922 0,1002 = 0,846 => ξ = 0,026 Có chỡ đột mở nên ξm2 = 0,026 Vậy Σξ2 = ξu2 + ξv2 + ξt2 + ξm2 = 0,45 + 4,060 + 0,122 + 0,026 = 4,658 85 Tổn thất đường ống dẫn h2 = (𝜆2 𝑙2 𝑑2 𝑉𝐹2 + 𝛴𝜉2 ) 2𝑔 = (0,027 x 10 0,092 + 4,658) x 0,1492 𝑥 9,81 = 8,592x10-3(m) 6.3.3 Chiều cao bồn cao vị Gọi mặt cắt (1 - 1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị, mặt cắt (2 - 2) mặt cắt vị trí nhập liệu Phương trình Bernoulli cho mặt cắt 𝑧1 + 𝑃1 𝜌𝐹 𝑔 + → z1 = 𝑧2 + 𝑉12 2𝑔 = 𝑧2 + 𝑃2 − 𝑃1 𝜌𝐹 𝑔 + 𝑃2 𝜌𝐹 𝑔 𝑉22 − 𝑉12 2𝑔 + 𝑉22 2𝑔 + 𝛴ℎ𝑓1−2 + 𝛴ℎ𝑓1−2 Trong đó: z1 – độ cao mặt thống (1 - 1) so với mặt đất, hay xem chiều cao đặt 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 + (Nchưng+1).( hmâm + mâm)= 0,24 + 0,225 + 6.( 0,3+ 0,003) = 2,3 (m) P1 – áp suất mặt thoáng (1 - 1) P2 – áp suất mặt thoáng (2 - 2) Chênh lệch áp suất: Xem ∆P = P2 - P1 = Ncất ×Pcất= 196,76= 2572,7 (N/m2) V1 – vận tốc mặt thoáng (1 - 1), xem V1 = ( m/s ) V2 – vận tốc vị trí nhập liệu, V2 = VF1 = 0,081 ( m/s ) Σhf1-2 – tổng tổn thất ống từ (1 - 1) đến (2 - 2) Σhf1-2 = h1 + h2 = 0,015 + 8,592x10-3 = 0,024 (m) 86 Vậy: Chiều cao bồn cao vị z1 = Hcv = z2 + Hcv = 0,911 + P2 − P1 V22 − V12 + + ∑ hf1−2 ρF g g 1824 842,683 𝑥 9,81 + 0,1242 𝑥 9,81 + 0,024 = 3,1 (m) Để đảm bảo cho hệ thống chọn Hcv = (m) Bơm 6.4 6.4.1 Năng suất Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra nhiệt độ : tF = 30(oC) Bảng 5.4 Thông số hệ tF = 30oC Khối Thông số lượng (kg/m3) riêng Độ nhớt (N.s/m2) (I.101/92) (bảng I.2/9) Acetone 779,5 0,00039 Nước 995 0,0008 Hỗn hợp 885,75 0,00069 Suất lượng thể tích dịng nhập liệu ống QL = 𝐺𝐹 𝜌𝐹 = 2000 885,75 = 2,26 (m3/h) Chọn bơm có suất Qb = ( m3⁄h ) 6.4.2 Cột áp Gọi mặt cắt (1 - 1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu, mặt cắt (2 - 2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Phương trình Bernoulli cho mặt cắt 87 𝑧1 + 𝑃1 𝜌𝐹 𝑔 + 𝑉12 2𝑔 + 𝐻𝑏 = 𝑧2 + 𝑃2 𝜌𝐹 𝑔 + 𝑉22 2𝑔 + 𝛴ℎ𝑓1−2 Trong đó: Z1 – độ cao mặt thoáng ( – 1) so với mặt đất, chọn z1 = m Z2 – độ cao mặt thoáng ( – 2) so với mặt đất, chọn z2 = Hcv = m P1 – áp suất mặt thoáng ( – 1) so với mặt đất, chọn P1 = 1at P2 – áp suất thoáng ( – 2) so với mặt đất, chọn P2 = at V1, V2 – vận tốc mặt thoáng (1 – 1), (2 – 2); xem V1 = V2 = (m/s) Σhf1-2 – tổng tổn thất ống từ (1 – 1) đến (2 – 2) Hb – cột áp bơm Tính tổng trở lực ống Chọn đường kính ống hút ống đẩy dhút = dđẩy = dống = 50 mm Chọn độ nhám ống ε = 0,2 mm (độ ăn mịn ít),( tra bảng ([1], trang 381, bảng II.15) ta có Tổng trở lực ống hút ống đẩy Σhf1-2 = (𝜆ố𝑛𝑔 𝑙ℎú𝑡 + 𝑙đẩ𝑦 𝑑ố𝑛𝑔 + 𝛴𝜉ℎú𝑡 + 𝛴𝜉đẩ𝑦 ) 𝑉𝐹2 2𝑔 Trong đó: lhút – chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm ([1], trang 441, bảng II.34) hhút = m chọn lhút = m lđẩy – chiều dài ống đẩy, chọn lđẩy = m Σξhút – tổng tổn thất cục ống hút 88 Σξđẩy – tổng tổn thất cục ống đẩy λống – hệ số ma sát ống hút ống đẩy VF – vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy VF = 4𝑄𝑏 3600𝜋𝑑ố𝑛𝑔 = 4𝑥3 3600𝜋 𝑥 0,052 = 0,42 (m/s) Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống dẫn ReF = 𝑉𝐹 𝑑ố𝑛𝑔 𝜌𝐹 𝜇𝐹 = 0,42.0,05.885,75 6,9.10−4 = 27057,33 Chuẩn số Reynolds tới hạn ([1], trang 378, công thức II.60) Regh = x ( 𝑑ố𝑛𝑔 8/7 ) 𝜀 50 = x ( )8/7 = 3301,065 0,2 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám([2], trang 379, công thức II.62) Ren = 220 x ( 𝑑ố𝑛𝑔 9/8 ) 𝜀 50 = 220 x ( )9/8 = 109674,381 0,2 Ta thấy Regh < ReF < Ren khu vực độ - khu vực nằm khu vực nhẵn thủy lực khu vực nhám Hệ số ma sát khu vực chảy độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds độ nhám thành ống Tỷ số 𝜀 𝑑ố𝑛𝑔 = 0,2 50 = 0,004 → 0,00008 < 𝜀 𝑑ố𝑛𝑔 < 0,0125 Hệ số ma sát xác định theo công thức ([1], trang 380, công thức II.64) λống = 0,1 × (1,46 × 𝜀 𝑑ố𝑛𝑔 + 100 0,25 𝑅𝑒𝐹 ) = 0,1 × (1,46 × 0,2 50 + 100 )0,25 = 0,031 27057,33 Xác định tổng tổn thất cục ống hút Chỗ uốn cong ([1], trang 393, bảng II.16) 89 Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn θ = 90° (tương ứng A = 1,0), bán kính R cho: 𝑅 𝑑ℎú𝑡 𝑎 = (tương ứng B = 0,15); tỷ lệ = (tương ứng C =1,0) 𝑏 Ta được: ξ = ABC = 1,0 x 0,15 x 1,0 = 0,15 Đường ống có tổng cộng vị trí uốn nên ξu(hút)= 0,15 × = 0,30 Van ([1], trang 397, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn Khi mở hoàn toàn, giá trị ξ tương ứng với tốc độ ống xác định theo bảng No37 Với đường kính ống dhút = 50 mm ta có ξ = 4,675 Đường ống có van nên ξv(hút) = 4,675 x = 4,675 Vậy Σξhút = ξu(hút) + ξv(hút) = 4,675 + 0,30 = 4,975 Xác định tổng tổn thất cục ống hút Chỗ uốn cong ([1], trang 393, bảng II.16) Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn θ = 90° (tương ứng A = 1,0), bán kính R cho: 𝑅 𝑑đẩ𝑦 𝑎 = (tương ứng B = 0,15); tỷ lệ = (tương ứng C =1,0) 𝑏 Ta được: ξ = ABC = 1,0 x 0,15 x 1,0 = 0,15 Đường ống có tổng cộng vị trí uốn nên ξu(đảy)= 0,15 × = 0,30 Van ([1], trang 397, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn Khi mở hoàn toàn, giá trị ξ tương ứng với tốc độ ống xác định theo bảng No37 Với đường kính ống dđẩy = 50 mm ta có ξ = 4,675 Đường ống có van nên ξv(đẩy) = 4,675 x = 4,675 90 Vào bồn cao vị: ξcv = Vậy Σξđẩy = ξu(đẩy) + ξv(đẩy) + ξcv = 0,30 + 4,675 + = 5,975 Vậy tổng trở lực ống hút ống đẩy Σhf1-2 = (𝜆ố𝑛𝑔 𝑙ℎú𝑡 + 𝑙đẩ𝑦 Σhf1-2 = (0,03 x 𝑑ố𝑛𝑔 6+8 0,05 + 𝛴𝜉ℎú𝑡 + 𝛴𝜉đẩ𝑦 ) + 4,975 + 5,975) x 𝑉𝐹2 2𝑔 0,5942 𝑥 9,81 = 0,348 (m) Tính cột áp bơm Phương trình Bernoulli ta có: 𝑧1 + 𝑃1 𝜌𝐹 𝑔 + 𝑉12 2𝑔 + 𝐻𝑏 = 𝑧2 + 𝑃2 𝜌𝐹 𝑔 + 𝑉22 2𝑔 + 𝛴ℎ𝑓1−2 → Hb = (z2 – z1) + Σhf1-2 = (4 – 1) + 0,348 = 3,348 (m) 6.4.2 Công suất Chọn hiệu suất bơm ηb = 0,8 Công suất thực tế bơm Nb = 𝑄𝑏 𝐻𝑏 𝜌𝐹 𝑔 3600𝜂𝑏 = 4,2 𝑥 3,348 𝑥 857,503 𝑥 9,81 3600 𝑥 0,8 = 41,07 (W) Tóm lại: Để tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm ly tâm loại XM, có: Năng suất Qb = 4,2 m3/h Cột áp Hb = 3,348 ms Công suất Nb = 41,07 W 91 KẾT LUẬN Hệ thống chưng cất hỗn hợp Acetone – nước dùng tháp mâm xuyên lỗ sau tính tốn thiết kế, ta nhận thấy hệ thống tồn ưu điểm nhược điểm bật sau:  Ưu điểm: − Năng suất hiệu suất cao − Tiêu tốn nguyên vật liệu − Tháp có trở lực thấp − Vệ sinh đơn giản  Nhược điểm: − Không làm việc với nguồn nguyên liệu bẩn − Kết cấu tháp phức tạp − Hệ thống thiết bị cồng kềnh − Địi hỏi vận hành với độ xác cao nên cần người có kinh nghiệm − Độ ổn định chưa cao − Nguồn lượng chưa tận dụng triệt để Bên cạnh vấn đề an toàn cho người lao động ý tới để tránh xảy tai nạn khơng đáng có, gây thiệt hại cho người 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Tập 1, ĐHBK Hà Nội [2] Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Tập 2, ĐHBK Hà Nội [3] Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, “ Quá trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004 [4] Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính tốn thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978 [5] Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đính Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Q trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002 [6] Phạm Văn Bơn, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Bài tập Truyền nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004 93