Đồ án thiết kế hệ thống vàthiết bị nhiệt đề tài thiết kế hệ thống chưng cất etylic nước với năng suất 800lh

  1.1 TRƯỜNG CƠ KHÍ – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ NHIỆT  Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETYLIC - NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT 800L/H   MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 RƯỢU ETYLIC 1.1.1 Khái niệm 6  1.1.2 Thơng số nhiệt vật lí rượu ethylic 6  1.1.3 Ứng dụng rượu ethylic 6  1.2 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT RƯỢU ETYLIC CHƯƠNG II CÂN BẰNG VẬT CHẤT .9 2.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO 2.2 XÁC ĐỊNH LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY .9 2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP 10 2.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC 10 2.5 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT SỐ MÂM THỰC TẾ 10 2.5.1 Số mâm lý thuyết 10 2.5.2 Số mâm thực tế .11 CHƯƠNG III TÍNH TỐN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 14 3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP (Dt) 14 3.1.1 Đường kính đoạn cất 14 3.1.2 Đường kính đoạn chưng .16  3.2 MÂM LỖ - TRỞ LỰC CỦA MÂM: 18 3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 18 3.2.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm 19 3.2.3 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động: 22 3.3 TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP .23 3.3.1 Bề dày thân tháp: 23 3.3.2 Đáy nắp thiết bị: 25 3.3.3 Bích ghép thân, đáy, nắp: 25 3.3.4 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn: 26    CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT-THIẾT BỊ PHỤ .30 4.1 CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 30 4.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 32 4.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 36  4.1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 40 4.1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy: 43 4.1.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 48 4.2 TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: 53 4.2.1 Tính bồn cao vị .53 4.2.2 Chọn bơm: 56  TÀI LIỆU THAM KHẢO 57   CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.2 RƯỢU ETYLIC 1.2.1 Khái niệm Rượu ethylic (hay gọi ethanol, alcohol ethylic, rượu ngũ cốc hay cồn thực  phẩm) chất lỏng, không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, tan nước vơ hạn Rượu ethylic có cơng thức hóa học C 2H5OH. Nó có khả hút ẩm, dễ cháy, cháy khơng có khói lửa có màu xanh da trời 1.2.2 Thơng số nhiệt vật lí rượu ethylic  Nhiệt độ sôi 760mmHg: 78,3oC K hối lượng riêng  = 967,45 kg/m3    Nhiệt dung riêng 0,548 KJ/kg.độ (ở 20oC) 0,769 KJ/kg.độ (ở 60oC) 1.2.3 Ứng dụng rượu ethylic  Là nguyên liệu để sản xuất dược phẩm, rượu bia, cao su tổng hợp, axit axetic  Dùng làm dung môi để pha chế vecni, nước hoa   Ngồi etanol (rượu etylic) cịn sử dụng nhiên liệu cồn (thường trộn lẫn với xăng) hàng loạt quy trình cơng nghiệp khác Etanol (rượu etylic) cịn dùng sản phẩm chống đơng lạnh điểm đóng băng thấp  Dung dịch chứa 70% etanol (rượu etylic) dùng làm tẩy uế Các gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nồng độ 62% Khử trùng tốt sử dụng etanol dung dịch khoảng 70%, nồng độ cao hay thấp lại có khả kháng khuẩn Etanol giết chết sinh vật chủ yếu cách biến tính protein chúng hịa tan lipit chúng Ngồi ra, etanol (rượu etylic) cịn có hiệu việc chống lại loại vi khuẩn nấm với nhiều loại virus lại hiệu việc chống lại bào tử vi khuẩn 1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT RƯỢU ETYLIC Etanol chất lỏng tan vơ hạn H 2O có nhiệt độ sơi 78,30C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100 oC 760mmHg Nhiệt độ sôi chât cách biệt xa nên để thu etanol có độ tinh khiết cao từ hỗn hợp etanol – nước ta sử dụng phương pháp chưng cất * Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:   Hình Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước  Chú thích : Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn chứa cao vị Bẫy Lưu lượng kế Van Tháp chưng cất   Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Bộ phận chỉnh dòng 10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh   12 Nồi đun 13 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 14 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% với nhiệt độ đầu vào 25 0C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (13) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt (14), hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) ở  đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi cân hai pha với Pha lỏng chuyển động  phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều (có nồng độ 85% phân mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (8) ngưng tụ  phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản  phẩm đỉnh (10), làm nguội đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phần lại chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu tháp đĩa với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ etanol 0,19 % phân mol, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thiết bị (13) (sau qua bồn cao vị) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh etanol, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ 60 0C thải bỏ     CHƯƠNG II CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1.4 2.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO  Năng suất sản phẩm đỉnh thu được: VD = 800 l/h = 0,8 m 3/h  Nồng độ nhập liệu: xF = 15% mol etanol  Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 85% mol etanol  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0,19% mol etanol  Nhiệt độ nhập liệu: t  F '  = 25oC  Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: 35oC  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt 60oC Khối lượng phân tử rượu nước: M r  = 46 (Kg/kmol), M N = 18 (Kg/kmol) 1.5 2.2 XÁC ĐỊNH LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY   Cân vật chất cho toàn tháp: F = D + W  Cân cấu tử etanol: F.x F = D.xD + W.xW   Phân mol nhập liệu: x F = 0,15 (mol etanol)  x F  =   46. x F  46. x F +( 1− x F ) 18 =31 % (theo khối lượng)  Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập liệu: MF = 46  x F   (1   x F   ).18  = 46.0,15  (1 0,15).18 = 22,2 (Kg/Kmol)  Phân mol sản phẩm đỉnh: x D = 0,85 (mol etanol)  Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh: MD = 46.xD  (1  xD ).18  = 46.0,85  (1 0,85).18 = 41,8 (Kg/Kmol)   Suất lượng sản phẩm đỉnh G D =  M  D  =  D V  D ρ  M  D = 0,8 967,45  = 18,52 ( Kmol / h ) 41,8  Phân mol sản phẩm đáy: x W = 0,19% (mol etanol)  Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đáy: Mw = 46.xw  (1  xw ).18   = 46.0,0019  (1 0,0019).18 = 18.1 (Kg/Kmol ) Thay vào phương trình (2-1), (2-2) ta có:   F =18,52 + W   F 0,15=18,52.0,85 +W   0,0019 {   { →  F =106,05 ( Kmol / h ) W =87,53 ( Kmol / h ) 1.6 2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Tỉ số hoàn lưu tối thiểu chế độ làm việc mà ứng với số mâm lý thuyết vơ cực Do đó, chi phí cố định vơ cực chi phí điều hành (nhiên liệu , nước bơm…) tối thiểu Do đồ thị cân hệ Etanol-Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hồn lưu tối thiểu cách : + Trên đồ thị cân y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ đường thẳng tiếp tuyến với đường cân điểm uốn , cắt trục Oy điểm có y o = 0,26 + Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, x o = ta có:   x D  y o = =0,26  Rmin Tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R min = 2,269  Tỉ số hoàn lưu làm việc  R x= 1,3. R xmin + 0,3 =1,3.2,269+ 0,3=3,2497  1.7 2.4 Phương trình đường làm việc Phương trình đường làm việc đoạn cất   x D   3,2497   0,85  R  y = x+ =   x + =0,765. x + 0,200 3,2497 +  R +  R + 3,2497 + Phương trình đường làm việc đoạn chưng  y =  R + f   f −1 3,2497 + 5,724  5,724 −1 x+ x =   x+ 0,0019=2,112. x + , 0021  R +  R + W  3,2497 + 3,2497 + Với số nhập liệu: f =  F    x D   0,85 = = =5,724  D  x F  h 0,15.0,99 1.8 2.5 Xác định số mâm lý thuyết số mâm thực tế 2.5.1 Số mâm lý thuyết Hình biểu diễn đồ thị xác định số mâm lý thuyết:   Hình 2. Đồ thị xác định số mâm lý thuyết  Dựa vào đồ thị hình 2, ta xác định có 22 mâm lý thuyết, gồm: Mâm đoạn chưng: mâm Mâm đoạn cất: 19 mâm Mâm nhập liệu: mâm 2.5.2 Số mâm thực tế Xác định hiệu suất trung bình tháp htb : + Độ bay tương đối cấu tử dễ bay hơi: ¿ α =   y 1− x ¿    x 1− y Với: x phân mol rượu pha lỏng   y*  phân mol rượu pha cân với pha lỏng * Tại vị trí nhập liệu : xF = 0,15 ta tra đồ thị cân hệ : y *F = 0,5 tF = 84,85oC 10   ℜ F ¿  v F  d tr ρ F  1,973.0,021 956,789 = −3   =34927,435>  μ F  1,135.10 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re F và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReF= 34927,435, chọn l =1 + Pr F : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 40,384 oC, nên Pr F =  μ F  c F   λ F  −3 = 1,135.10 3893,9 = 8,64 0,5116 + Pr w2 : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu nhiệt độ trung bình vách 392,27 Suy ra:  Nu F =  Pr 0,25 w2 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống:  N =  Nu F  λ F  392,27.0,5116 9638,63 = = 0,25 0,25 dtr  Pr w 0,021  Pr w  Nhiệt tải phía dịng nhập liệu: q F =❑ F  ( t w 2−t tbF ) =¿  9638,63 0,25  Pr w   ( t w 2− 40,384 ) (W/m2) Với tw2: nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: q t = t w 1−t w  Σ r t   , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống nhỏ) δ  +  Σ r t = λ t  +r +r t  Bề dày thành ống: t = 2(mm) 45   Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 17,5 (W/moK)  Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r 1 = 1/5000 (m2.oK/W)  Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r 2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: r t = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) * Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống nhỏ: Vận tốc nước ống ngoài: vW =     GW    3600. ρW  π ¿ ¿ = 1,086 (m/s) Đường kính tương đương: dtd = Dtr  –dng = 0,034 - 0,025 = 0,009 (m) Chuẩn số Reynolds: ℜW  ¿  v W  d td ρW   μ W  = 1,086.0,009 971,8 −3 0,355.1   =26747,72> 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 W và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:Rew =26747,72, chọn l =1 + Pr W : chuẩn số Prandlt sản phẩm đáy 80 oC, xem sản phẩm gần nước nên Pr W = 2,21 125,382 Suy ra:  Nuw =  Pr 0,25 w1 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống ngoài: W =  Nu w λ w d td = 125,382.0,675 0,25  Pr w 0,009 46 = 9403,65 0,25  Pr w    Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: q w=¿  9403,65 0,25  Pr w   ( 80 −t w 1) (W/m2) Chọn: tw1 = 73,5oC : Khi xem Pr w1 ~ 2,431 (tra tw1) qW = 9403,65 0,25 2,431   ( 80 −73,5 )= 48951,23 (W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: q t = qW =48951,23  (W/m2) Ta có: tw2 = 73,5ttbw =  48951,23  = 48,325oC 1944,444 t w + t w 73,5 + 48,32508   =60,913 oC = 2 Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình t tbw = 60,913oC: + Nhiệt dung riêng: cR  = 3941,826(J/kg.độ) + Độ nhớt động lực: R  = 0,729501.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,543506 (W/moK) Khi đó: Pr w2 =  qF = c R μ R  λ R 9638,63 0,25 5,290826197 −3 = 3941,826 , 729501.10 , 543506 = 5,290826197 ( 48,32508− 40,384 )=50467,74 (W/m2) Kiểm tra sai số: ε= |q w −q F | |48951,23−50467,74| q W  = 48951,23   =3 %< %  => thỏa mãn Vậy: tw1 = 73,5oC tw2 = 48,325oC Khi đó: α W = α  F = 9403,65 0,25 2,431 =7530,96(W/m2.oC)   9638,63 0,25 5,290826197 =6355,28(W/m2.oC) 47      K =   =1243,13      (W/m2.oC) + + 6355,28 1944,444 7530,96 Bề mặt truyền nhiệt trung bình:  F tb =   73,846.1000  = 1243,13.39,463 1,506 (m2) Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L ¿   1,506 =20,84  0,025+ 0,021  (m) π Chọn: L = 25(m),(dự trữ khoảng 20%) Kiểm tra:  L   25 = =1190,5 >50  thì l = 1: thoả mn d tr 0,021 Vậy: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 25(m), chia thành 10 dãy, dãy dài 2,5 (m) 1.26 4.1.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống d 1=25 mm,δ 1=2 mm; kích thước ống ngồi d 2=38 mm ,  δ 2=2 mm Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ đầu: t” F = 55,768oC, nhiệt độ cuối: tF = 84,85oC Chọn đốt nước at, ống Tra tài liệu tham khảo [1], ta có: + Nhiệt độ sơi: t sN = 100oC + Nhiệt ẩn ngưng tụ: r  N = 2260 (KJ/kg) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình t tbF = t } rsub {F} + {t} rsub {F}} over {2} = {55,768+84,85} over {2} = 70,30 ¿¿ oC: + Nhiệt dung riêng: cF = 3,960 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: F = 939,815 (Kg/m 3) + Độ nhớt động lực: F = 0.6214.10-3 (N.s/m2) 48   + Hệ số dẫn nhiệt: F = 0,5590 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu: Qc = G F  cF.(tF – 3600 t”F) = 2354,31   3,960 ( 84,85 −55,768 )=75,31  (KW) 3600 Suất lượng nước cần dùng: Q 75,31 GhN = r c = 2260 = 0,033 (Kg/s)  N  b Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = Qc    K Δ t  ,(m2) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + t : nhiệt độ trung bình logarit  Xác định tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:  Δt =  ( 100−55,768 )−(100− 84,85) =27,143 o  100 −55,768  ( K) ln 100 − 84,85 Xác định hệ số truyền nhiệt K:  Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức:  K =   1  1 + Σ r t +   α  F  α  N  ,(W/m2.oK) Với: + F : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) +  N : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + r t : nhiệt trở thành ống lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dòng nhập liệu ống ngoài: v F =   G F      2354,31   = = 2,01(m/s) 3600. ρ F  π d 2ng 3600.939,815 π .0,021 49   Chuẩn số Reynolds : ℜ F ¿  v F d td ρ F  2,01.0,009 939,815 = −3   =27359,59 >  μ F  0,6214.10 104 : chế độ chảy rối, cơng thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReF = 27359,59 , chọn l =1 + Pr F : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 70,309oC, nên  Pr F = c F  μ F   λ F  = 3960.0,6214.10 0,5590 −3 =4,402 203,98 Suy ra:  Nu F = Pr 0,25 w2 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: F  =  Nu F  λ F  203,98.0,559 12669,42 = 0,25 = 0,25 d td  Pr w 0,009  Pr w2  Nhiệt tải phía dịng nhập liệu: q F =❑ F  ( t w 2−t tbF ) =¿  12669,42 0,25  Pr w   ( t w 2−70,309 )  (W/m2) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: q t = t w 1−t w  Σ r t    , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) δ  +  Σ r t = λ t  +r +r t  Bề dày thành ống: t = 2(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 17,5 (W/moK) 50    Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r 1 = 1/5000 (m2.oK/W)  Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r 2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: r t = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Đường kính tương đương: d td = Dtr  - dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: (  ) 0,25   r ρ.g.λ  N   N ¿ 0,725 ν t  −t  d ( sN  w ) td   ¿ 91,265 (   ρ.g.λ ν ( 100 −t w ) =0,725 ( 2260.1000 ρ g λ ν ( 100 −t w ) 0,009 ) 0,25 0,25 )  Trong đó: t w 1 là nhiệt độ vách tiếp xúc với nước  ρ , ν , λ là thông số vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2]  Nhiệt tải phía nước:  q N =α  N  ( t sN − t w )= 91,265 (  )  ρ g λ ν 0,25 ¿ (W/m2) Chọn: tw1 = 98,179oC : Khi đó, nhiệt độ trung bình    100 + 98,179 = 99,0895oC ta tra : Khối lượng riêng:  ρ =959,01914 (kg/ m3) Độ nhớt động lực: ν =0,297549.10−6 ¿) Hệ dố dẫn nhiệt:  λ =0,681818(W/moK) ( Từ (IV.26): q N = 91,265.  959,01914 9,81 0,681818 −6 0,297549 10 ) 0,25 (100 – 98,179)0,75 = 45266,02(W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: q t = q N =45266,02 (W/m2) Ta có: tw2 =98,179 - 45266,02  = 74,899327oC 1944,444 51    ttbw = t w + t w 2  = 98,179 + 74,899327   =86,53916oC Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình t tbw = 86,53916 oC: + Nhiệt dung riêng: cR  = 4009,42613 (J/kg.độ) + Độ nhớt động lực: R  = 0,467495.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,58448 (W/moK) Khi đó: Pr w2 =  c R μ R 4009,42613 0,467495.1 0−3 = = 3,206924  λ R 0,58448   12669,42 qF = 3,2069240,25 ( 74,899327− 70,309 ) ¿ 43458,85(W/m2) Kiểm tra sai số: |q N −q F | |45266,02− 43458,85|   =¿4% < 5%: thoả mãn   = q = 45266,02  N  Vậy: tw1 = 98,179oC tw2 = 74,899327oC Khi đó: α  N =91,265 (   959,01914 9,81 0,681818 −6 0,297549 10 ( 100 – 98,179 ) ¿ 24857,79 (W/m2.oC)   α  F =   12669,42 0,25 3,206924  K = =9168,58(W/m2.oC)   =1771,17 (W / m o C )     + + 9168,58 1944,444 24857,79 Bề mặt truyền nhiệt trung bình:  F tb =  ) 0,25   75,31.1000  = 1771,17 27,143 1,57 (m 2) Chiều dài ống truyền nhiệt : 52    L=   1,57 =21,73 (m) 0,025 + 0,021 Chọn: L = π Kiểm tra: 25(m),(dự trữ khoảng 20%)  L   25 = =1190,48 >50  thì l = 1: thỏa mãn d tr 0,021 Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 25 (m), chia thành 10 dãy, dãy dài 2,5 (m) 1.27 4.2 TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU: 1.28 4.2.1 Tính bồn cao vị Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám ống =0,1(mm) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình t tbF = t  F + t '  F  25 + 84,85   =   =54,925 ℃ 2 + Khối lượng riêng: F = 948,791(Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 0,623275.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: v F =   Q F  3600 π d =   4.2,55 3600 π .0,05 = 0,361 (m/s) + Tính hệ số  : Re = v d ρ F   μ F  = 0,361.0.05 948,791 −3 0,623275 10 100   =27476,92  104  0,25  Nên  λ =0,1 (1,46. Δ+ ℜ   ) Chọn  = 0.1 (mm) ( độ nhám tuyệt đối ống dẫn ) ε 0.1  Δ = =  = 0,002 d 50    λ =0,1 ¿ + Các hệ số tổn thất cục : 53    Hệ số trở qua thiết bị gia nhiệt nhập liệu : ❑0=( + m ) −0.03 () S d ℜ −0.26 Số dãy ống m = 10 với đường kính ống d  = 0,021 (m) Khoảng cách hai tâm ống: S = t.cos30 = 26 (mm)     ❑0=( + 9.10 ) ¿ Hệ số trở lực qua thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy : ❑1=( + m ) −0.03 () S d −0.26 ℜ Số dãy ống m = 10 với đường kính ống d  = 0,021 (m) Khoảng cách hai tâm ống: S = t.cos30 = 26 (mm)           ❑1=( + 9.10 ) −0.03 ( ) 26 21 −0.26 27476,92 =6,69 Hệ số trở lực qua đoạn uốn ống : Có 10 đoạn uốn ống, hệ số trở lực đoạn bằng: ❑2= 0.21 Hệ số trở lực lưu lượng kế không đáng kể : ❑3 = Hệ số trở lực van ống trịn thẳng : Có van côn, hệ số trở lực van bằng: ❑4= 0.05 Hệ số đột mở ❑5 = 0.57 Hệ số đột mở trước vào thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy : 6 = 0.31 Hệ số đột thu sau thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản  phẩm đáy : 7 = 0.32 Hệ số đột thu 8 = 0.46 Hệ số tổn thất ống ngả :  9 = 1.70  ∑cb = 0 + 1 + 10.2 + 4.4 + 5 + 2.6 + 2.7 + 8 + 2.9  = 6,69 + 6,69 + 10.0,21 + 4.0,05 + 0,57 + 2.0,31 + 2.0,32 + 0,46 + 2.1,7 = 20,714 - Tính sơ z2 : ( chiều cao từ đế chân đỡ đến vị trí nhập liệu ) z2 = hchân đỡ  + hnắp + (Nchưng+1) .(h + mâm ) z2 = hchân đỡ  + hnắp + (Nchưng+1) .(h + mâm )   = 0,145 + 0,215 + 6.(0,3 + 0,003) = 2,34 (m) 54   Chọn sơ chiều dài ống dẫn l = 20 (m) Tổng trở lực đường ống :   ∑ h w 1−2= 2  0,361 =0,212 ( m ) (∑ ξ + λd.l )  2.v g =(20,714+ 0,028.20 0,05   ) 2.9,81 i ¿ 212 (mm )  - Xét hai mặt cắt 1-1 2-2 :  P γ  z1 + 1  + v1  P v = z + 2  + +∑ h w1−2 2g γ  g  z1= z2 +  P 2− P1 v 2− v   +   + ∑h w 1−2 γ  2g + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem P = P2 – P1 = Ncất htl = 40 425,47= 17018,8 (N/m2) + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem + v 2 : vận tốc vị trí nhập liệu,  v1  = v 2 = v F = (m/s) 0,361 (m/s) Chiều cao bồn cao vị: Hcv =  P − P v − v z2 +  ρ2 g 1  + 22 g  F  +hw1-2 = 2,34 + 17018,8 + 0,361 −0  + 0,212  948,791.9,81 2.9,81 = 4,387 (m) Chọn Hcv = (m) 1.29 4.2.2 Chọn bơm: Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 25oC: + Khối lượng riêng: F = 966 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 1,865.10-3 (N.s/m2) Áp dụng phương trình Bernulli cho mặt cắt (1-1) (3-3) :  v  P H b + z3 + 3g + γ 3 = z1 + v  P + +∑ h1−3 g γ 1 55   Trong : P1 = P3 = at 1 = 3  v1 = v3 : chọn đường kính ống hút đường kính ống đẩy  H b = z1 – z3  + h1-3  + Chọn chiều cao mực chất lỏng bồn chứa nguyên liệu cao đế chân đỡ  0,3 (m) = 300 (mm) 11 h1-3 = (∑ ξ i + λd.l  )  2.v g i=1 Chọn chiều dài ống dẫn l = 10 (m) Chọn đường kính ống dẫn d = 50 (mm) Vận tốc v = 1,5 (m/s) - Tính hệ số  : Re = v d ρ 1,5.0,05.966  =   =38847,18 104  −3  μ 1,865.10 100 0,25  Nên  λ =0,1 (1,46. Δ + ℜ   ) Chọn  = 0.1 (mm) ( độ nhám tuyệt đối ống dẫn ) ε 0.1  Δ = =  = 0.002 d 50    λ =0,1 ¿ - Tương tự tính bồn cao vị ta có hệ số trở lực cục :  cb = 5 + 4.2 + 2.4 + 8 = 0,57 + 4.0,21 + 2.0,05 + 0,46 = 1,97  h1-3 = ( 1,97+ 0,027   10   ,5  ¿ = 0,05 2.9,81 0,845(m) = 845(mm)  H b= 5000 – 300 + 845= 5545 (mm) = 5,545(m)  Công suất bơm ly tâm :  Nt = Q H b ρ g 1000 η 56   2   Q = π d4   v =3,1416 0,05 −3 1,5=2,94.10  (m3/s) H b = 5,545(m)  = 966 (Kg/m 3) h = 75% (Hiệu suất bơm) −3  N t = 2,94.10 5,545.966.9,81   = 0,21( kW ) 1000.0,75  Công suất động điện :  N dc =   N t  ηtr η dc =   0,21 =0,26 ( KW ) 0,9.0,9 Với htr  : hiệu suất truyền động   hđc : hiệu suất động Đề phòng q tải, ta chọn bơm có cơng suất N = 2.N t = 2.0,26= 0,52 (KW) Từ ta chọn máy bơm chân khơng Wilo PWI 550EH hình với thông số:    Lưu lượng : 2.4m3/h Công suất: 550W/1P/230V-50HZ Cột áp : 36m 57     Hình 3. Bơm chân khơng Wilo PWI 550EH  58   TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập – Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hoá chất tập – Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Hồ Lê Viên – Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hố chất – Nhà xuất  bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978 [4] Bài giảng môn Thiết bị trao đổi nhiệt – TS Nguyễn Đức Quang 59