Thông tin tài liệu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KĨ THUẬT HỐ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM - - ĐỒ ÁN MƠN HỌC Thiết kế tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục làm việc áp suất thường để tách hỗ hợp hai cấu tử ( acetone – nước ) Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực MSSV Lớp - Khoá : T.S Nguyễn Văn Xá : Phạm Thị Huyền Trang : 20180982 : KTHH 06- K63 Hà Nội - 2021 VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH – THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA CHẤT VÀ THỰC PHẨM _ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc _ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440 Họ tên: Phạm Thị Huyền Trang MSSV: 20180982 Lớp: KTHH 06 Khóa: K63 I Đầu đề thiết kế: Thiết kế tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử: acetone- nước Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sôi Tháp loại : đĩa lỗ II Các số liệu ban đầu: - Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu : 6700 (kg/h); - Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay trong: + hỗn hợp đầu: 42 % khối lượng; + sản phẩm đỉnh: 98 % khối lượng; + sản phẩm đáy: 1,6 % khối lượng III Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Phần mở đầu Vẽ thuyết minh sơ đồ cơng nghệ (bản vẽ A4) Tính tốn kỹ thuật thiết bị Tính chọn thiết bị phụ Kết luận Tài liệu tham khảo IV Các vẽ -Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4 - Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1 V Cán hướng dẫn: VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 11 tháng 10 năm 2021 VII Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 01 năm 2022 Phê duyệt Bộ môn Ngày tháng năm 2021 Người hướng dẫn ( Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Văn Xá MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ 1.1 Khái niệm 1.2 Ứng dụng 1.3 Tính chất hóa học .2 1.4 Điều chế .3 Công nghệ chưng cất hỗn hợp acetone – nước 2.1 Phương pháp thực 2.2 Loại tháp chưng cất Sơ đồ quy trình cơng nghệ thuyết minh quy trình cơng nghệ .6 3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 3.2 Thuyết minh sơ đồ .7 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH Cân vật liệu 1.1 Các ký hiệu 1.2 Các số liệu ban đầu 1.3 Xác định hiệu suất nhập liệu sản phẩm đáy Xác định số hồi lưu thích hợp 10 2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu .11 2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp 12 Đường kính tháp chưng luyện (Dt) 23 3.1 Đường kính đoạn luyện 23 3.2 Đường kính đoạn chưng 27 Chiều cao tháp 30 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 33 5.1 Cân nhiệt lượng hỗn thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 33 5.2 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 35 5.3 Cân nhiệt lương thiết bị ngưng tụ 39 5.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh .40 Tính trở lực tháp chưng luyện 41 6.1 Trở lực đĩa khô .42 6.2 Trở lực đĩa sức căng bề mặt 43 6.3 Trở lực lớp chất lỏng đĩa .44 6.4 Tổng trở lực tháp .45 Tính tốn khí .45 7.1 Tính chọn đường kính ống nối 46 7.2 Tính chiều dày thành tháp, đáy tháp nắp tháp 49 7.3 Chọn bích nối thân tháp với đáy nắp tháp, với ống nối 55 7.4 Tính chọn cấy đỡ tháp .58 CHƯƠNG 66 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 66 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu .66 1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình: .66 1.2 Tính lượng nhiệt trao đổi 67 1.3 Tính hệ số cấp nhiệt: 67 Tính bơm hỗn hợp đầu .73 2.1 Áp suất toàn phần ∆p .74 2.2 Tính tốn thơng số bơm li tâm 80 Tính tốn thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp .81 3.1 Lượng nhiệt cần thiết: 82 3.2 Tải nhiệt trung bình cho trình truyền nhiệt: 83 LỜI KẾT 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá MỞ ĐẦU Ngày với phát triển vượt bậc công nghiệp giới nước nhà, ngành công nghiệp cần nhiều hố chất có độ tinh khiết cao Q trình đáp ứng phần độ tinh khiết theo yêu cầu chưng cất: trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng Vì thế, đề tài Thiết kế hệ thống chưng cất aceton – Nước môn Đồ An Mơn Học Q Trình Thiết Bị bước giúp cho sinh viên tập luyện chuẩn bị cho việc thiết kế trình thiết bị công nghệ lĩnh vực Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : acetone – nước với số liệu sau đây: Năng suất sản phẩm đỉnh : 6700 kg/h Nồng độ sản phẩm đỉnh : 98% theo khối lượng Nồng độ nhập liệu : 42% theo khối lượng Nồng độ sản phẩm đáy: 1.6% theo khối lượng Áp suất làm việc: áp suất thường Để hoàn thành đồ án , thực em cố gắng nhiều Song , bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên hẳn khơng tránh khỏi sai sót Cuối , em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Máy – Thiết Bị , đặc biệt thầy Nguyễn Văn Xá , người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em nhiều suốt thời gian thực đồ án thiết kế SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ 1.1 Khái niệm Acetone có cơng thức phân tử : CH3COCH3 Khối lượng phân tử 58.079 đvC Là chất lỏng không màu, dễ lưu động dễ cháy, với cách êm dịu có mùi thơm Nó hịa tan vô hạn nước số hợp chất hữu : ete, metanol, etanol, diacetone alcohol… Được tìm thấy vào năm 1595 Libavius, chưng cất khan đường, đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone cách chưng cất Acetat bồ tạt sođa : phân đoạn lỏng nằm phân đoạn rượu eter 1.2 Ứng dụng Acetone ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hồ tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu Từ Acetone tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), holofom Một số thông số vật lý nhiệt động Acetone : • Nhiệt độ nóng chảy : -94.6 0C ; • Nhiệt độ sơi : 56.9 0C ; • Tỷ trọng : 𝑑20 ; • Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn 102 0C) • Độ nhớt : 0.316 cp ( 250C) • Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( 200C) 1.3 Tính chất hóa học Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3+H2O → CH3 - C - SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) CH3 SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN → CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3+HCH2C=O → CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) CH3 CH3 Acetone khó bị oxi hóa thuốc thử Pheling, Tơluen, HNO3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon CH3-C-CH → CH3-C-CH2-OH → CH3-C-CH=O → CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2 → CH3CHOH-CH3 1.4 Điều chế Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr → CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl Trong thời kỳ chiến tranh giới lần thứ nhất, nhu cầu nguồn acetone lớn, tong có giới hạn việc thu acetone từ chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành acetone Butyl Alcohol.Công nghệ ứng dụng chủ yếu suốt chiến tranh giới lần thứ năm 20 SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Tuy nhiên, đến năm 20 công nghệ thay công nghệ có hiệu (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất acetone Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol Ngồi ra, cịn số qúa trình sản xuất acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol Acetone - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Carbo hydrate vi khuẩn đặc biệt - Cơng ty Shell sử dụng sản phẩm phụ Tổng hợp acetone cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: • CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) → 𝑥𝑢𝑐𝑡𝑎𝑐 CH3COCH3 + H2 • Xúc tác sử dụng : đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối • Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97% • Dịng khí nóng sau phản ứng gồm có : acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 phần nhỏ sản phẩm phụ ( Propylene, diisopropyl eter …) Hỗn hợp làm lạnh khí khơng ngưng lọc nước Dung dịch lỏng đem chưng cất phân đoạn, thu acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol ( ) đáy Công nghệ chưng cất hỗn hợp acetone – nước Ta có acetone chất lỏng tan vơ hạn nước nhiệt độ sôi acetone ( 56.9 0C 760 mmHg) Nước ( 100 0C 760 mmHg) : cách xa nên phương pháp hiệu để thu acetone tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Trong trường hợp ta sử dụng phương pháp đặc cấu tử có khả bay hơi, khơng sử dụng phương pháp trích ly hấp thụ phải đưa vào pha để tách chúng, làm cho q trình phức tạp hơn, hay q trìng tách khơng hồn tồn Chưng cất q trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng ( hay nhiệt độ sôi ), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại 2.1 Phương pháp thực SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): trình thực liên tục, nghịch dịng, nhiều đoạn Ngồi cịn có thiết bị hoạt động bán liên tục Trong trường hợp này, sản phẩm acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng , cộng với hỗn hợp acetone – Nước hỗn hợp điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu 2.2 Loại tháp chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt 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 cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm 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: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Tháp chêm Ưu điểm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản - Trở lực tương đối thấp - Khá ổn định - Trở lực thấp - Hiệu suất cao - Hiệu suất cao - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá cầu có chất lỏng Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành → - Khơng làm việc - Có trở lực lớn hiệu suất truyền khối với chất lỏng bẩn - Tiêu tốn nhiều vật thấp - Kết cấu phức tạp tư, kết cấu phức tạp - Độ ổn định không cao, khó vận hành - Do có hiệu ứng thành → tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ aceton – Nước Sơ đồ quy trình cơng nghệ thuyết minh quy trình cơng nghệ 3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ STT Kí hiệu Tên thiết bị E-1 Tháp chưng luyện T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy T-3 Thùng chứa sản phẩm đỉnh H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-2 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp C-1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy C-2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh C-3 Thiết bị làm 10 R-1 Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh 11 R-2 Cơ cấu hồi lưu đáy tháp 12 P-1 Bơm SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Trong đó: +) λ hệ số ma sát +) L chiều dài ống dẫn, m +) dtd đường kính tương đương ống dẫn, m Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp ❖ Các số liệu: ρF = 861,85 (kg/m3); dtd = dt(F) = 0,125 m; ω = 0,176 (m/s) ❖ Xác định hệ số ma sát λ: - Ở nhiệt độ tF = 65,34 0C, nội suy từ bảng số liệu 4.1 có độ nhớt cấu tử µacetone = 0,222.10-3 (N.S/m2) µnước = 0,439.10-3 (N.S/m2) Nên độ nhớt hỗn hợp: log µF= xF log µacetone + (1-xF) log µnước =0,183 log (0,222.10-3) + (1-0,183) log (0,439.10-3) ⇒ µF= 0,388.10-3 (N.s/m2) - Chuẩn số Reynold: 𝜔 𝑑𝑡𝑑 𝜌 0,176.0,125.861,85 𝑅𝑒 = = = 48867,78 > 104 −3 𝜇 0,388.10 - Chế độ chảy dòng chất lỏng ống chế độ chảy xốy Do hệ số ma 6,81 0,9 sát: = −2.lg độ [1 − 380 − II.65] , đó: = + d td 3,7 Re nhám tương đối; ε độ nhám tuyệt đối (m) + Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn theo bảng II.15 [1 – 381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do độ nhám tương đối: Δ = 1.6.10-3 + Thay số: 0,9 6,81 1.6.10−3 ] ⇒ 𝜆 = 0,161 = −2 𝑙𝑔 [( ) + 𝜆 48867,78 3,7 ❖ Chọn chiều dài đoạn ống L = (m) ❖ Thay số: 𝐿 𝜌 𝜔2 861,85.0,1762 = 0,161 = 51,6 (N/m2 ) 𝑑𝑡𝑑 0,125 Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu: ρ = 899,17 (kg/m3); dtd = dt = 0,035m; ω = 1,77 (m/s) 𝛥𝑝𝑚(1) = 𝜆 SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 76 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá ❖ Xác định hệ số ma sát λ: - Ở nhiệt độ tF = 200C, từ bảng số liệu 4.1 có độ nhớt cấu tử µacetone = 0,322.10-3 (N.S/m2) µnước = 1.10-3 (N.S/m2) Nđộ nhớt hỗn hợp: log µF= xF log µacetone + (1-xF) log µnước =0,183 log (0,322.10-3) + (1-0,183) log (1.10-3) ⇒ µF= 0,813.10-3 (N.s/m2) - Chuẩn số Reynold: 𝜔 𝑑𝑡𝑑 𝜌 1,77.0,035.899,17 𝑅𝑒 = = = 68516,1 > 104 −3 𝜇 0,813.10 - Chế độ chảy dòng chất lỏng ống chế độ chảy xốy Do hệ số ma 6,81 0,9 sát: = −2.lg độ nhám [1 − 380 − II.65] , đó: = + d td 3,7 Re tương đối; ε độ nhám tuyệt đối (m) + Chọn ống ngun ống hàn điều kiện ăn mịn theo bảng II.15 [1 – 381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do độ nhám tương đối: Δ = 5,71.10-3 + Thay số: 6,81 0,9 5,71.10−3 ] ⇒ 𝜆 = 0,182 = −2 𝑙𝑔 [( ) + 𝜆 68516,1 3,7 ❖ Chọn chiều dài đoạn ống L = (m) ❖ Thay số: 𝐿 𝜌 𝜔2 899,17.1,772 = 0,182 = 51269,6 (N/m2 ) 𝑑𝑡𝑑 0,035 ❖ Áp suất để khắc phục trở lực ma sát ống thẳng tổng cộng đoạn 𝛥𝑝𝑚(2) = 𝜆 là: 𝛥𝑝𝑚 = 𝛥𝑝𝑚(1) + 𝛥𝑝𝑚(2) = 51,6 + 51269,6 = 51321,2 (N/m2 ) 2.1.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục ❖ Áp suất khắc phục trở lực ma sát đường ống thẳng tính theo cơng thức: Ltd .2 2 pc = = , N/m2 [1 − 377 − II.56] d td Trong đó: +) ξ hệ số trở lực cục SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 77 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá +) Ltd chiều dài tương đương, m Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp Các số liệu: ρF = 861,85 (kg/m3); ω = 0,176 (m/s) ❖ Đoạn ống có khuỷu ghép 900 khuỷu 300 tạo thành, có trở lực ξ1 ❖ Với Re = 48867,78 >105, chọn a/b=1, tra bảng II.16-N030 [1 – 394] ξ1 = 0,3 ❖ Thay số: 𝜔2 𝜌 0,1762 861,85 𝛥𝑝𝑐(1) = 𝜉 = 0,3 = 4,00 (N/m2 ) 2 Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu: ρ = 899,17 (kg/m3); ω = 1,77 (m/s) ❖ Đoạn ống có lắp van chiều để điều chỉnh lưu lượng bảo vệ bơm, có trở lực ξ1 Lắp thêm lưu lượng kế, có trở lực ξ2=0 ❖ Chọn van chiều kiểu đĩa khơng có định hướng phía có b/D0 = 0,1, tra bảng II.16-N047 [1 – 400] ξ1 = 0,55 ❖ Thay số: 𝜔2 𝜌 1,772 899,17 𝛥𝑝𝑐(2) = 𝜉 = 0,55 = 774,68 (N/m2 ) 2 ❖ Áp suất để khắc phục trở lực cục đoạn là: 𝛥𝑝𝑐 = 𝛥𝑝𝑐(1) + 𝛥𝑝𝑐(2) = 4,00 + 774,68 = 778,68 (N/m2 ) 2.1.4 Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh ❖ Áp suất khắc phục áp suất thủy tĩnh tính theo cơng thức: pH = .g.H, N/m2 [1 − 377 − II.57] Trong đó: +) ρ khối lượng riêng chất lỏng 200C, ρ = 899,17 (kg/m3) +) H chiều cao nâng cột chất lỏng, H = 10(m) ❖ Thay số: 𝛥𝑝𝐻 = 𝜌 𝑔 𝐻 = 899,17 9,81.10 = 88208,58 (N/m2 ) 2.1.5 Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ❖ Áp suất cần thiết để khắc phục thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Δpt bao gồm: áp suất động lực học Δptd, áp suất ma sát ống truyền nhiệt Δptm, áp suất trở lực cục Δptc, áp suất thủy tĩnh ΔptH Áp suất động lực học ❖ Trong phần tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, tốc độ lỏng thực tế đạt ωt = 0,1 (m/s); khối lượng riêng ttb = 44,95 0C ρ = 879,68 (kg/m3) SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 78 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá ❖ Thay số: 𝜌 𝜔2 879,68 × 0, 12 = = 4,4 (N/m2 ) 2 Áp suất để khắc phục ma sát ống truyền nhiệt Các số liệu: ρ = 879,68 (kg/m3); đường kính ống truyền nhiệt dtd=d= 0,021m; 𝛥𝑝𝑡𝑑 = vận tốc lỏng ω = 0,1 (m/s) ❖ Xác định hệ số ma sát λ: - Ở nhiệt độ ttb = 44,95 0C, độ nhớt hỗn hợp: 𝜇ℎℎ = 0,515 10-3 N.s/m - Chuẩn số Reynold: 𝜔 𝑑𝑡𝑑 𝜌 0,1 × 0,021 × 879,68 𝑅𝑒 = = = 10262,93 > 104 −3 𝜇 0,515.10 - Chế độ chảy dòng chất lỏng ống chế độ chảy xốy Do hệ số ma 6,81 0,9 sát: = −2.lg độ [1 − 380 − II.65] , đó: = + d td 3,7 Re nhám tương đối; ε độ nhám tuyệt đối (m) + Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn theo bảng II.15 [1 – 381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do độ nhám tương đối: Δ = 4,76.10-3 + Thay số: 0,9 6,81 4,76 10−3 ] ⇒ 𝜆 = 0,194 = −2 𝑙𝑔 [( ) + 𝜆 10262,93 3,7 ❖ Thiết bị có chiều dài ống truyền nhiệt H = (m), chia làm ngăn nên thực tế chiều dài đường lỏng L =3.2 = (m) ❖ Thay số: 𝐿 𝜌 𝜔2 879,68.0, 12 = 0,194 = 243,79 (N/m2 ) 𝑑𝑡𝑑 0,021 Áp suất để khắc phục trở lực cục bên thiết bị ❖ Dòng lỏng chảy thiết bị phải qua ngăn nhiều chỗ đột mở, đột thu 𝛥𝑝𝑡𝑚 = 𝜆 + Tiết diện cửa vào thiết bị (từ ống đẩy .d 3,14.0,0352 = = 0,00096 (m2 ) 4 + Tiết diện cửa thiết bị (dẫn tháp): 𝜋 𝑑 3,14.0, 1252 𝑓2 = = = 0,0123 (𝑚2 ) 4 f1 = SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 79 bơm): Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá + Giả sử ngăn có tiết diện nhau, tiết diện khoảng trống đầu thiết bị ứng với ngăn là: 𝜋 𝑑 3,14.0, 42 × = × = 0,041 (𝑚2 ) 4 + Giả sử 61 ống chia vào ngăn trung bình ngăn có tổng tiết 𝑓3 = diện ống truyền nhiệt là: 𝜋 𝑑 61 3,14.0,0212 61 𝑓4 = × = × = 0,007 (𝑚2 ) 4 ❖ Xác định hệ số trở lực cục bộ: + Dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt tức đột mở f1/f3=0,02; tra bảng II.16-N011 [1 – 387] ξ1 = 0,64 + Dịng chảy từ ngăn vào ống truyền nhiệt, có ngăn tức đột thu lần với f4/f3=0,2, tra bảng II.16-N013 [1 – 388] ξ2 = 0,45 + Dòng chảy từ ống truyền nhiệt vào ngăn, có ngăn tức đột mở lần với f4/f3=0,159, tra bảng II.16-N011 [1 – 388] ξ3 = 0,64 + Dịng chảy khỏi thiết bị gia nhiệt tức đột mở f2/f3=0,3, tra bảng II.16-N011 [1 – 387] ξ4 = 0,5 + Tổng hệ số trở lực cục bộ: ξ=ξ1+3.ξ2+3.ξ3+ξ4=4,41 ❖ Thay số: 𝛥𝑝𝑡𝑐 = 𝜉 𝛥𝑝𝑡𝑑 = 4,41 4,4 = 19,4 (N/m2 ) Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh ❖ Ống truyền nhiệt cao 2m ❖ Thay số: 𝛥𝑝𝑡𝐻 = 𝜌 𝑔 𝐻 = 879,68.9,81.2 = 17259,32 (N/m2 ) Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 𝛥𝑝𝑡 = 𝛥𝑝𝑡𝑑 + 𝛥𝑝𝑡𝑚 + 𝛥𝑝𝑡𝑐 + 𝛥𝑝𝑡𝐻 = 4,4 + 243,79 + 19,4 + 17259,32 = 17526,91 (N/m2 ) 2.1.6 Áp suất toàn phần ❖ Vậy áp suất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lực hệ thống là: 𝛥𝑝 = 𝛥𝑝𝑑 + 𝛥𝑝𝑚 + 𝛥𝑝𝐻 + 𝛥𝑝𝐶 + 𝛥𝑝𝑡 + 𝛥𝑝𝑘 = 1421,85 + 51321,2 + 88208,58 + 778,68 + 17526,91 + = 159257,22 (N/m2 ) 2.2 Tính tốn thơng số bơm li tâm ❖ Chiều cao toàn phần bơm cần tạo ra: SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 80 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm 𝐻= GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá 𝛥𝑝 159257,22 = =18,05 (𝑚) 𝜌 𝑔 899,17 9,81 ❖ Hiệu suất chung bơm (hiệu suất toàn phần): η = η0 ηtl ηck - Tra bảng II.32 [1 – 439] có hiệu suất thể tích tính đến hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp chất lỏng rò qua chỗ hở bơm: η0 = 0,85-0,96; hiệu suất thủy lực, tính đến ma sát tọa dịng xốy bơm: ηtl = 0,8-0,85; hiệu suất khí tính đến ma sát khí ổ bi, ổ lót trục: ηck = 0,92-0,96 - Chọn η0 = 0,95; ηtl = 0,85; ηck = 0,95 → η = 0,767 ❖ Công suất yêu cầu trục động bơm: N= Q..g.H , kW [1 − 439 − II.189] 1000. Trong đó: +) Q = V = 2,07 10-3 (m3/s) suất bơm: +) ρ khối lượng riêng chất lỏng 200C, ρ = 899,17 (kg/m3) +) H chiều cao toàn phần bơm, m/s; H = 18,05 (m) +) η = 0,767 hiệu suất toàn phần Thay số: 𝑁= 𝑄 𝜌 𝑔 𝐻 2,07.10−3 899,17.9,81.18,05 = = 0,43 (kW) 1000 𝜂 1000.0,767 ❖ Công suất động điện: N dc = N , kW [1 − 439 − II.190] tr dc Trong đó: +) ηtr hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,95 +) ηdc hiệu suất động điện, chọn ηdc = 0,85 Thay số: 𝑁 0,43 = = 0,53 (kW) 𝜂𝑡𝑟 𝜂𝑑𝑐 0,95.0,85 ❖ Thông thường người ta chọn động điện lớn so với cơng suất tính tốn 𝑁𝑑𝑐 = (lượng dư dựa vào khả tải): Ncdc = .Ndc , kW [1 − 439 − II.191] Tra bảng II.3 [1 – 440] có hệ số dự trữ = 1,5 𝑐 ⇒ 𝑁𝑑𝑐 = 𝛽 𝑁𝑑𝑐 = 1,5 × 0,53 = 0,795 (kW) Tính tốn thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 81 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp dùng nước có nhiệt độ ban đầu 20oC để làm nguội hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ nhiệt độ tP = 57,27oC đến nhiệt độ t = 45oC Hai lưu thể ngược chiều nhau, nước làm nguội từ lên, nhận ẩn nhiệt hóa từ hỗn hợp từ xuống sản phẩm ngưng tụ thành lỏng khỏi thiết bị Nhiệm vụ ta phải tính đủ thơng số kỹ thuật cần thiết thiết bị đường kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống, … _ Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm có thông số sau: Chiều cao ống: h0= m Đường kính ống: d= 25mm Chiều dày thành ống: 𝛿 = 2𝑚𝑚 Đường kính ống : d0=20mm Dung dịch ống, đốt ống Chọn vật liệu chế tạo thép không gỉ X18H10T Theo bảng XII.7 (3-313), hệ số dẫn nhiệt vật liệu là: 𝜆 = 16,3 (w/m.độ) 3.1 Lượng nhiệt cần thiết: * Lượng nhiệt cần thiết: ttb = tnt - ∆𝑡 tb ∆𝑡tb : hiệu số nhiệt độ trung bình lưu thể td : nhiệt độ sản phẩm đỉnh - Nhiệt độ vào nước tđ = 20oC - Nhiệt độ cuối nước tc = 45oC - Nhiệt độ ngưng tụ tn = tP = 57,27oC →𝛥𝑡1 = 𝑡𝑛𝑡 − 𝑡𝑑 = 57,27 − 20 = 37,27 oC →𝛥𝑡2 = 𝑡𝑛𝑐 − 𝑡𝑐 = 57,27 − 45 = 12,27 oC Ta có: ∆𝑡 tb = ∆𝑡đ −∆𝑡𝑐 ∆𝑡 𝑙𝑛 đ ∆𝑡𝑐 = 37,27−12,27 𝑙𝑛 37,27 12,27 = 22,5℃ ttb = tnt - ∆𝑡 tb = 57,27-22,5 = 34,77℃ - Nhiệt lượng để ngưng tụ hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 82 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá [sổ tay QTTB II – Q = GP*CP(tđ-tc) 46] + GP:lượng hỗn hợp đỉnh cần làm nguội, kg/h + tđ, tc: nhiệt độ đầu cuối hỗn hợp, ℃ + CP: nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu ttb, j/kg.độ CP = aF.Cacetone + (1-aF) Cnước Tại ttb=34,77 ℃ nội suy theo bảng I.153 [Sổ tay QTTB I-171] Cacetone = 2224,31 j/kg.độ Cnước= 4176,31 j/kg.độ → CP = aP.Cacetoen + (1-aP) Cnước = 0.98*2224,31 + (1-0.98)* 4176,31 = 2263,35 j/kg.độ Vậy nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là: Q = Gp*CP(tđ-tc) = 2808,25 3600 * 2263,35*(45-20) = 44139,25 (w) 3.2 Tải nhiệt trung bình cho trình truyền nhiệt: * Các chuẩn số cần thiết: - Khối lượng riêng hỗn hợp nhiệt độ trung bình xác định cơng thức: ρ = aP ρA + 1−aP ρB Với ttb=34,77℃ nội suy theo bảng I.2 [I-9] ta có: ρacetone = 774,02 (kg/m3) ρnước = 993,57 (kg/m3) ρ → = aP ρA + 1−aP ρB = 0.98 774,02 + 1−0.98 993,57 = 1.286*10-3 𝜌 = 777,46 (kg/m3) _ Tính độ nhớt dung dịch: Tại ttb=34,77℃ nội suy theo bảng I.102 [I-91] ta có: µA = 0,33*10-3 (N.s/m2) µB = 0.605*10-3 (N.s/m2) → lgµdd = xP.lgµacetone+ (1-xP) lgµnước SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 83 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá = 0,938*lg(0,33*10-3) + (1-0,938)*lg(0,605*10-3) → µdd = 0,343*10-3 (N.s/m2) → µdd =µx = 0,343*10-3 (N.s/m2) _ Tính chuẩn số Reynon: Chế độ dòng chất lỏng ống chế độ chảy xốy(>104) Vì chế độ chảy xốy hệ số truyền nhiệt lớn Chọn giá trị Re= 104 _ Hệ số dẫn nhiệt dung dịch, ρ = A.C.𝜌 √ , w/m.độ [I-123] M Trong đó: A: hệ số phụ thuộc liên kết chất lỏng Vì acetone nước chất lỏng liên kết nên A= 3.58*10-8 CP: nhiệt dung riêng đẳng áp chất lỏng, j/kg.độ 𝜌: khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 M: khối lượng mol dung dịch, kg/kmol Ta có: M = MP =55,52 kg/kmol CP = 2263,35 j/kg.độ 𝜌 = 777,46 (kg/m3) ρ 777,46 M 55,52 → = A.C 𝜌 √ = 3,58*10-8 *2263,35*777,46* √ = 0,152 (w/m.độ) _ Chuẩn số Pran hỗn hợp: Pr = CP μ = 2263,35∗0.343∗10−3 0.152 =5,12 [II - 12] _ Chuẩn số Nuxen hỗn hợp: Nu = 0.021.𝜀1 Re0.8.Pr0.43.( 𝑃𝑟 0.25 𝑃𝑟𝑡 ) [II - 12] Trong đó: + Pr1: chuẩn số Pran tính theo nhiệt độ trung bình SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 84 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá + 𝜀1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài l đường kính Ta có: đường kính ống dn =25 mm Chiều dài H=l=2m 𝑙 𝑑 0.025 Với = > 50 nên tra bảng ta có 𝜀1 = Do chênh lệch vỏ dòng lưu thể nhỏ nên ta coi → Nu = 0.021.𝜀1 Re0.8.Pr0.43.( 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑡 =1 𝑃𝑟 0.25 𝑃𝑟𝑡 ) = 0.021*1*10000 0.8* 5,120.43*1 = 67,17 * Tính hệ số cấp nhiệt: - Hệ số cấp nhiệt phía đốt 𝛼1 : 𝛼1 = 2.04 A √ 𝑟 ∆𝑡.𝐻 , w/m2.độ Trong đó: + r: ẩn nhiệt ngưng tụ nước, j/kg +H=l=2m + A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng, tm tm = 0.5(tT1 + tđ) tT1: nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với nước ngưng, ℃ tđ: nhiệt độ srn phẩm đỉnh, ℃ ∆𝑡1 = tđ - tT1 [II-29] ∆𝑡1 : hiệu số nhiệt độ giũa tbh nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng, ℃ Chọn ∆𝑡1 = 1℃ Ta có nhiệt độ thành ống phía ngưng tụ là: tT1= tđ - ∆𝑡1 = 57,27 – = 56,27℃ Nhiệt độ màng nước ngưng tụ là: SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 85 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá tm = 0.5(tT1 + tđ) = 0.5*(56,27 + 57,27 ) = 56,77℃ Với tm= 56,77℃ nội suy theo [II-29] ta có: A = 152,42 Tại tm=56,77℃ p=2at theo bảng I.250 [I-314] ta có r = 2364,2.103 (j/kg)m Vậy hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ là: r 𝛼1 = 2.04 A √ ∆t.H 2364,2∗103 = 2,04*152,42* √ 1.4 = 8621,41 (w/m2.độ) _ Nhiệt tải riêng vê phía ngưng tụ: q1 = 𝛼1 ∆𝑡1 = 8621,41 *1 = 8621,41 w/m2 _ Hiệu số nhiệt độ bề mặt thành ống: ∆𝑡𝑇 = tT1 –tT2 = q1*∑ r δ Với ∑ r = r1 + + r2 [II- 3] Chọn bề dày thành ống truyền nhiệt 𝛿 = 2𝑚𝑚 𝜆: hệ số dẫn nhiệt thành ống 𝜆 = 16,3 W/m2.độ, thép X18H10T theo bảng XII.7 (sổ tay II- Trang 313) rT1, rT2: Nhiệt trở lớp cặn nước tạo thành phía thành ống dựa vào bảng PL.12-trang 346 – TTQTTB tập ta chọn: rT1=0,464.10-3 m2 Độ/W rT2=0,116.10-3 m2 Độ/W Vậy: 𝛿 0,002 𝜆 16,3 ∑𝑟 = 𝑟1 + 𝑟2 + = 0,464.10-3+0,116.10-3 + = 0,703.10-3 , m2 Độ/W → ∆𝑡𝑇 = tT1 –tT2 = q1*∑ r = 8621,41.0,703.10-3 = 6,06℃ _ Nhiệt độ thành ống phía dung dịch: tT2 = tT1 - ∆𝑡𝑇 = 56,27– 6,06 = 50,21℃ _ Hiệu số nhiệt độ thành ống dung dịch: ∆𝑡2 = tT2 - ttb =50,21 – 34,77= 15,44 ℃ SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 86 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá _ Hệ số cấp nhiệt 𝛼 phía dung dịch: 𝛼2 = 𝑁𝑢. 𝑑 67,17∗0.152 = (25−2∗2)∗10−3 = 486,18 _ Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch: q2 = 𝛼2 ∆𝑡2 = 486,18 *15,44= 7506,62 w/m2 Ta có: | 𝑞1 −𝑞2 𝑞1 |=| 8621,41−7506,63 8621,41 | = 0,129 % < 5% Vậy chọn ∆𝑡1 = 1℃ phù hợp _ Nhiệt tải riêng trung bình: qtb = 𝑞1 +𝑞2 = 8621,41+7506,62 = 8064,02 w/m2 `/ * Bề mặt truyền nhiệt: F= 𝑄 qtb = 44139,25 8064,02 = 5,47 m2 * Tổng số ống n: _ Tổng số ống n tính theo cơng thức: n= F f Trong đó: f: diện tích xung quanh ống, m2 f = 𝜋.dn.H = 3.14*0.025*2 = 0.157 (m2) → F 5,47 f 0.157 n= = = 34,84 (ống) Quy chuẩn n =37 theo bảng V.II [II- 48] - Số ống cạnh hình cạnh là:4 ống - Số ống đường xuyên tâm hình cạnh là: ống - Tổng số ống khơng kể ống hình viên phấn: 37 ống _ Số ngăn: n= 𝑤 𝑤𝑡 wt: tốc độ thực tế chất lỏng chảy ống SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 87 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm wt = 𝐺𝑝 𝜋 𝑛𝑡 3600.𝜌 .𝑑2 = 2808,25 𝜋 37∗3600∗777,46∗ ∗0.0252 GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá = 0.055 (m/s) Theo lí thuyết ta chọn wt = 0.3 m/s Do tốc độ lý thuyết lớn tốc độ thực tế nên ta phải chia ngăn: + số ngăn: m = 𝑤𝑙𝑡 𝑤𝑡𝑡 = 0.3 0.055 = 5,45 Theo nguyên tắc số ngăn phải chẵn nên ta chọn m=6 ngăn + tính đường kính thiết bị: D = t(b – 1) + 4dn Trong đó: t bước ống t = (1.2–1.5)dn Chọn t=1.5dn=1.5*0.025=0.0375 (m) → D = t(b – 1) + 4dn = 0.0375(11-1)+4*0.025=0.475 (m) Vậy thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp có thông số sau: F = 5,47 (m2) L = (m) D = 475 (mm) n = 37 (ống) m = (ngăn) SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 88 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Acetone – Nước dùng tháp mâm xuyên lỗ thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm cịn có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm suất hiệu suất cao thiết bị cịn cồng kềnh, địi hỏi phải có vận hành với độ xác cao Bên cạnh đó, vận hành thiết bị ta phải ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người Trong phạm vi khuôn khổ đồ án môn học, thời gian không cho phép đồng thời hạn chế kiến thức lý thuyết thực tế sản xuất lần tiếp xúc với đồ án nên cịn nhiều sai sót Em kính mong giúp đỡ bảo thầy cô giáo môn Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo môn, đặc biệt thầy Nguyễn Văn Xá quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình giúp em hồn thành đồ án, giúp em hiểu rõ môn học, phương pháp thực tính tốn thiết kế, cách tra cứu số liệu, xử lí số liệu,… Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 89 Đồ án QT&TB CN hóa chất thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [2] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 1: Các nguyên lý ứng dụng, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2010 [4] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 2: Tính tốn thiết kế, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2013 [5] Nguyễn Bin, Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 4, Phân riêng tác dụng nhiệt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2008 [6] Phạm Xn Toản, Các q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập Các trình thiết bị truyền nhiệt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 90
Ngày đăng: 10/01/2024, 15:25
Xem thêm:
