Tính toán thiết bị chính 4
Đ−ờng kính tháp 6
L−ợng hỗn hợp đầu tính theo 1 Kmol sản phẩm đỉnh
+ Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện
+ Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
II Đ−ờng kính của tháp:
D=0.0188⋅ ρ ⋅ϖ [II – 181] g tb :l−ợng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)
(ρ y w y ) tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
1 Lưu lượng trung bình các dòng pha đi trong tháp : a/ Trong đoạn luyện :
GP : L−ợng sản phẩm đỉnh (P’) = 28,52(kmol/h)
R : Hệ số hồi lưu thích hợp = 1,614
♦ L−ợng hơi ra khỏi đỉnh tháp g đ : g ® = G R + G P = G P (R + 1) (,52 (1,614+ 1) = 74,5513(kmol/h)
♦ L−ợng hơi đi vào đoạn luyện g 1 , nồng độ hơi y 1 , l−ợng lỏng G 1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện, nồng độ lỏng x 1 :
Bài toán được mô tả bởi ba phương trình cân bằng: cân bằng vật liệu (g₁ = G₁ + GP), cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (g₁y₁ = G₁x₁ + GPxP), và cân bằng nhiệt lượng (g₁r₁ = G r) Trong đó, r₁ là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi vào đĩa, r là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp.
Gọi : r A : ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic r B : ẩn nhiệt hoá hơi của H 2 O
Từ đồ thị (t,x,y) ta có :
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = x P =0,553): t P = 79,7 0 C
Nội suy theo bảng r – t o (I-254) với t o = 79,7°C :
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = xF =0,0442): tF = 91,6 °C
Nội suy theo bảng r – t o (I-254) với t o = 91,6°C :
Giải 3 ph−ơng trình trên ta có:
⇒ L−ợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :
⇒ L−ợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện :
G tbL R b/ Trong đoạn ch − ng :
G W : L−ợng sản phẩm đáy (W’) = 335,35(kmol/h)
Đoạn chưng cất thứ nhất nhận lượng hơi Y1 với nồng độ hơi y1 và cho ra lượng hơi Y1 (bằng lượng hơi vào đoạn chưng cất thứ hai) Lượng lỏng G1' trong đĩa thứ nhất có nồng độ lỏng x1.
Ta có y 1 , = y * W là nồng độ cân bằng ứng với x W , nội suy theo bảng số liệu đ−ờng cân bằng (II-148) :
Ph−ơng trình cân bằng vật liệu :
Ph−ơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) :
Ph−ơng trình cân bằng nhiệt l−ợng :
1 r g r g = (3’) r l : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn ch−ng
= 9668,06 (kcal/kmol) r 1 ’: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa ch−ng thứ nhất
Từ bảng số liệu x – t o sôi dd (II-148), nội suy ta có:
Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = x W = 0,00093): t W = 99,82°C
Nội suy theo bảng r – t o (I-254) với t o = 99,82°C :
⇒ ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa ch−ng thứ nhất : rl’ = rA yl’ + rB (1 – yl’) = 8927,312.0,61752 + 9705,24 (1 – 0,61752)
⇒ L−ợng hơi trung bình đi trong đoạn ch−ng :
⇒ L−ợng lỏng trung bình đi trong đoạn ch−ng :
2 Khối l−ợng riêng trung bình a/ Khối l − ợng riêng trung bình pha lỏng :
Trong đó : ρ xtb : Khối l−ợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m 3 )
1 ρ xtb : Khối l−ợng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m 3 )
2 ρ xtb : Khối l−ợng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m 3 )
1 a tb : Nồng độ khối l−ợng trung bình cấu tử 1 (kg/ kg)
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện:
Nội suy với x tbL theo bảng số liệu nồng độ – t o sôi dung dịch (II-148) :
⇒ Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : t tbL = 81,721°C
⇒ Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc theo t = t tbL : (I-9) ρ xL1 = 733,37 (kg/m 3 ) ρ xL2 = 970,8 (kg/m 3 )
Nồng độ khối l−ợng trung bình của Etylic đoạn luyện
− − xL tbL xL tbL xL a a ρ ρ ρ (kg/m 3 )
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn ch−ng :
Nội suy với x tbC theo bảng số liệu nồng độ – t o sôi dung dịch (II-148) :
⇒ Nhiệt độ trung bình đoạn ch−ng : t tbC = 95,706°C
⇒ Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc theo t = t tbC :(I-9)
1 = 720 ρ xC (kg/m 3 ) ρ xC 2 = 961 , 42 (kg/m 3 ) Nồng độ khối l−ợng trung bình của Etylic đoạn luyện :
− − xC tbC xC tbC xC a a ρ ρ ρ (kg/m 3 ) b/ Khối l − ợng riêng trung bình pha hơi :
Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện là : y đL = y 1 = 0,239
Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện là : y cL = y P = x P = 0,553
⇒ Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
⇒ Khối l−ợng mol trung bình hơi đoạn luyện :
→ Khối l−ợng riêng trung bình pha hơi đoạn luyện :
Nồng độ pha hơi đầu đoạn ch−ng là : y dC = y 1 ' = 0 , 61752
Nồng độ pha hơi cuối đoạn ch−ng là : y cC = y 1 = 0,239
⇒ Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
→ Khối l−ợng mol trung bình hơi đoạn ch−ng :
MyC= y tbC M 1 +(1-y tbC ).M 2 = 0,42826.46+(1– 0,42826).18 0 (kg/kmol)
→ Khối l−ợng riêng trung bình pha hơi đoạn ch−ng :
3 Tính vận tốc hơi đi trong tháp : a.Tính độ nhớt:
+Tra bảng (I-94) ta có độ nhớt của nước ở 20 0 C là: 1,005 10-3 (N.s/m 2 )
+ở t tbL = 81,721 0 C suy từ bảng (I-92) ta có: μ E =0,426.10 − 3 (N.s/m 2 ) μ H =0,351.10 − 3 (N.s/m 2 )
Vậy độ nhớt pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: lgμ xL =x tbL ⋅lgμ E +(1−x tbL )⋅lgμ H x tbL = 0,2986 lgμ xL =0,2986⋅lg(0,426.10 − 3 )+(1−0,2986)⋅lg(0,351.10 − 3 )
+Tra bảng (I-94) ta có độ nhớt của nước ở 20 0 C là: 1,005 10-3 (N.s/m 2 )
+ở t tbC = 95,706 0 C suy từ bảng (I-92) ta có: μ E =0,35.10 − 3 (N.s/m 2 ) μ H =0,3.10 − 3 (N.s/m 2 )
Vậy độ nhớt pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: lgμ xC = x tbC ⋅lgμ E +(1−x tbC )⋅lgμ H x tbC = 0,0226 lgμ xC =0,0226⋅lg(0,35.10 − 3 )+(1−0,0226)⋅lg(0,3.10 − 3 )
( yL yL ) tb tbL yL L
( yC yC ) tb tbC yC C
Chiều cao của tháp 12
Chiều cao làm việc của tháp đ−ợc xác định theo công thức [II – 175] y dv m h
Trong đó: - h dv : Chiều cao của một đơn vị chuyển khối
- m y : Số đơn vị chuyển khối
1 Xác định số đơn vị chuyển khối:
Với M diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong thành phần
Từ bảng trên ta có:
2 Chiều cao của một đơn vị chuyển khối phụ thuộc vào đặc tr−ng của đệm và xác định theo công thức:
= ⋅ σ ψ : Là chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi [II – 177]
⎝ ⎠ : Là chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối víi pha láng [II – 177]
Víi: a : Hệ số phụ thuộc vào dạng đệm Với đẹm vòng Ráing đổ lộn xộn a=0,123 μ x : Độ nhớt của pha lỏng ( Ns m 2 )
0 − xL μ μ xC =0,3.10 − 3 ρ x : Khối l−ợng riêng của lỏng
Bài viết trình bày về chuẩn số Reynolds và Prandtl, cũng như hệ số thấm ướt ψ phụ thuộc vào tỷ lệ giữa mật độ tưới thực tế và mật độ tưới thích hợp trên tiết diện ngang của tháp Cuối cùng, bài toán tính toán h1 được đề cập.
- ψ : Hệ số thấm −ớt của đệm phụ thuộc vào th tt
U G x x tt = ⋅ ⋅ ρ π : mật độ tưới thực tế, (m 3 m 2 ⋅h)
U = ⋅σ mật độ tưới thích hợp ,(m 3 m 2 ⋅h) [II – 177]
+ Chuẩn số Râynôn của pha hơi: d y s y y μ σ ϖ ρ
+ Chuẩn số Pran của pha hơi: y y y y = ⋅D ρ
= ⋅ − : Hệ số khuyếch tán trong pha hơi [II – 127] ở p = 1atm
V , : Thể tích mol phân tử của Etylic và n−ớc
→ Chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1
+ Chuẩn số Râynôn của pha lỏng: Re x 0, 04 x t d x
+ Chuẩn số Pran của pha lỏng: x x x x = ⋅ D ρ
D x : Hệ số khuyếch tán trong pha lỏng ( m 2 s )
Với: μ,ρ là độ nhớt và khối l−ợng riêng của H 2 O ở 20 0 C
Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng là:
= xC xC − xC xC h C ρ μ Tõ đồ thị đường làm việc:
Từ đồ thị ta suy ra:
- Chiều cao của một đơn vị chuyển khối:
- Chiều cao của đoạn luyện:
- Chiều cao của đoạn ch−ng:
- Đoạn ch−ng: H C =h dvC ⋅m yC =0,164⋅2,85=0,5 (m)
Vậy chiều cao làm việc của tháp:
IV Trở lực của tháp
- Sức cản thủy học của tháp đệm đối với hệ hơi - lỏng ở điểm đẳng pha
Bài viết trình bày về tổn thất áp suất trong hệ thống, bao gồm tổn thất áp suất tại điểm đảo pha (Δpu) khi tốc độ khí bằng tốc độ khí qua điểm khô và tổn thất áp suất của đệm khô (pkΔ) Các tham số y và xG cũng được đề cập.
G , - Lưu lượng của lỏng và của khí (kg/s) y x ρ ρ , - Khối l−ợng riêng của lỏng và của khí (kg/m 3 ) y x μ μ , - Độ nhớt của lỏng và của khí (N.s/m 2 )
Tổn thất áp suất của đệm khô đ−ợc tính theo công thức:
Trong đó: H- Chiều cao lớp đệm (m)
H C (m) λ,- Hệ số trở lực của đệm (trở lực do ma sát và trở lực cục bộ)
, ω y - Tốc độ của khí tính trên toàn bộ tiết diện tháp (m/s)
5 σ d (m 2 /m 3 ) - Bề mặt riêng của đệm
V d (m 3 /m 3 ) - Thể tích tự do của đệm λ,- Hàn số phụ thuộc chuẩn số Râynôn Với tháp đệm vòng đổ lộn xộn thì
- Tổn thất áp suất của đệm tại đoạn luyện:
- Tổn thất áp suất của đệm tại đoạn ch−ng:
Trở lực của đệm khô: Δp K =Δp kL +Δp kC
Theo bảng IX.7 giá trị của các hệ số A, m ,n c
- Sức cản thủy học của tháp đệm đối với đọan luyện:
- Sức cản thủy học của tháp đệm đối với đoạn ch−ng:
Trở lực của đệm −ớt: Δp u =Δp uL +Δp uC
Vậy trở lực trong tháp đệm là:Δp=Δp k +Δp u
V Tính toán các thiết bị chính
- Thân tháp là thân hình hàn, làm việc chịu áp suất trong, không bị đốt nóng trực tiếp ⇒ thiết bị loại I nhóm 2
⇒ hệ số hiệu chỉnh η =0,9 [II – 356]
- Chọn vật liệu là thép và không gỉ X18H10T
Theo bảng tính chất cơ học của vật liệu chọn độ dày trong khoảng (1 – 3mm) ta có giới hạn bền kéo và bền chảy của vật liệu:
220 N m ch = ⋅ σ Theo bảng số liệu XIII.3 hệ số an toàn bền kéo và bền chảy của vật liệu:
=1 n c ứng suất giới hạn bền kéo của vật liệu đ−ợc tính theo công thức:
⇒ σ ứng suất giới hạn bền chảy của vật liệu đ−ợc tính theo công thức:
Chọn ứng suất cho phép là ứng suất bé nhất trong hai ứng suất trên:
Chọn cách chế tạo; hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp nối hai bên có hệ số bền mối hàn: ϕ h =0,95 [II – 362]
Chiều dày thân hình trụ là
D t : Đ−ờng kính trong của tháp (m)
1 H g p p= mt + ⋅ρ ⋅ : áp suất trong thíêt bị ( N m 2 ) p mt : áp suất hơi trong tháp ( N m 2 )
Do tháp làm việc ở áp suất th−ờng nên p mt =1 amt =9 81⋅10 4 ( N m 2 )
1 g H p = ⋅ρ ⋅ : áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng( N m 2 ) ρ1: Khối l−ợng riêng của chất lỏng trong tháp ( kg m 3 )
Chọn khối l−ợng riêng trung bình lớn nhất trong pha lỏng: ρ = 941 , 517 ( Kg m 3 ) g = 9,81(m/s 2 ): Gia tốc trọng tr−ờng
H = 3 , 8 : Chiều cao làm vịêc của tháp
[ ] σ : ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn (N/m 2 ) ϕ: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc vì tháp kín không đục lỗ nên
C : Đại l−ợng bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)
C 1: Bổ sung do ăn mòn (m)
Do Etylic – N−ớc là những chất ăn mòn chậm ⇒ C 1 = 0 , 1 ( mm nam )
C 2 : Bổ sung do bào mòn (m)
Tháp ch−ng luyện chỉ chứa lỏng và hơi nên ít bào mòn ⇒ C 2 = 0
C 3 : Bổ sung do dung sai về chiều dày (m)
Chọn dung sai (II-364) ⇒ Chọn C 3 = 0,8 mm = 0,8.10 -3 (m)
Chiều dày thân tháp là:
Chiều dầy trên thiết bị: S = S L = S C =2( ) mm
+ Kiểm tra ứng súât theo áp suất thử áp suất thử: p 0 = p th + p 1 ( N m 2 ) [II – 366] p th : áp suất thử thủy lực
1 p N m p th = ⋅ [II – 358] p 1: áp suất cột chất lỏng trong tháp
0 1,5 1,332 10 9,81 941,517 3,8 234898 N m p = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ứng suất theo áp suất thử:
Chiều dày thân thiết bị là 2 ( ) mm
- Chọn cùng vật liệu với thân tháp; Thép không gỉ X18H10T
- Đáy và nắp elip có gờ chịu áp suất trong
- Đường kính trong tính theo: D t = 0,8 (m)(đáy) ; D t = 0,8(m)(nắp)
- Chiều dày đáy và nắp :
Trong đó : ϕ h = 0,95: Hệ số bền mối hàn h−ớng tâm
D t k =1− d : Hệ số không thứ nguyên
Vì đáy và nắp có lỗ nh−ng lỗ đã đ−ợc tăng cứng hoàn toàn⇒ k = 1 p: áp suất trong
Nắp: p = p hoi =1 at =9 , 81⋅10 4 ( N m 2 ) Đáy: p = p thap = p hoi + p 1 = 1 , 332 ⋅ 10 4 ( N m 2 )
- Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:
- Chọn bích bền bằng thép CT3 kiểu I [II – 417]
Với các thông số chọn theo (II – 417) với ρ y = 0 , 1 ⋅ 10 6 ( N m 2 )
- Số bích: 3 căọ bích nối Đáy với thân tháp
Nối đoạn ch−ng với đoạn luyện
4 Tính đ−ờng kính các ống dẫn
- Chọn vật liệu ống dẫn cùng vật liệu tháp dày S = 2 ( ) mm
- ω: Tốc độ trung bình ( ) m s a ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – Nhiệt độ [I – 172]
+ Khối l−ợng riêng của r−ợi E – H ở 80 0 Cvà ở 100 0 C
- Đối với r−ợi E: ở 80 0 C: ρ E = 735 ( kg m 3 ) ở 100 0 C:ρ E = 716 ( kg m 3 )
0 80 t x 100 t 0 C Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khối l−ợng riêng theo nhiệt độ
Khối l−ợng riêng của r−ợi Etylic và N−ớc ở t F , 5 0 C
⇒Đ−ờng kính ống dẫn hỗn hợp đầu
⋅ Theo [II – 434] chiều dài đoạn ống nối: l = 80 ( ) mm
⋅ ⋅ b ống dẫn hơi đỉnh tháp
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh theo x P = y P =0,8165
Từ đồ thị t – x,y suy ra: t P x, 6279 0 C
- Lưu lượng hơi đỉnh tháp:
= ⋅ Chọn ω theo [II – 369] ω = 20 ( m s ) §−êng kÝnh èng:
Theo [II – 434] chiều dài đoạn ống nối l = 130 ( ) mm
V m s ω = d = ⋅ ⋅ c ống dẫn sản phẩm đáy
Từ đồ thị t – x,y suy ra t W , 5166 0 C
Theo [ II – 434] chiều dài đoạn ống l = 130 ( ) mm
- Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy là :
Chọn tốc độ sản phẩm đáy là : w = 0,2 (m/s) Đường kính của ống dẫn sản phẩm đáy là :
Chiều dài đoạn ống nối : l = 90 (mm) [II - 434]
Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy :
= = − = d ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu:
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu t R = t P = 78,6279 o C
Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc (bảng I-10) theo t = t R :
Nồng độ khối lượng của hơi ngưng tụ hồi lưu a R = a P = 0,9192
Khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là :
3) Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là : w = 0,3 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu là :
Chiều dài đoạn ống nối: l = 100 (mm) [II - 434]
Tốc độ thực tế của hơi ngưng tụ hồi kưu:
= = e ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu:
Lượng hơi sản phẩm đáy hồi lưu là:
G x = 415,115 (kmol/h) Nhiệt độ của hơi sản phẩm đáy hồi lưu: t W = 99,5166 o C Lưu lượng thể tích của hơi sản phẩm đáy hồi lưu là:
Chọn tốc độ hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: w = 30 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu là:
Chiều dài đoạn ống nối: l = 150 (mm) [II - 434]
Tốc độ thực tế của hơi sản phẩm đáy:
G T : Khối l−ợng thân tháp trụ (kg)
G N-Đ : Khối l−ợng nắp và đáy tháp (kg)
G bl : Khối l−ợng bu lông nối bích (kg)
G Đ : Khối l−ợng đĩa lỗ trong tháp (kg)
G Ô : Khối l−ợng ống chảy chuyền (kg)
G L : Khối l−ợng chất lỏng điền đầy tháp (kg) a Khối l−ợng thân tháp trụ:
- Khối l−ợng riêng của thép là ρ T = 7,9.10 3 (kg/m 3 ) [II - 313]
- Đ−ờng kính trong của thân tháp:
Theo các thông số đĩa đã chọn : D t = 1,4 (m)
- Chiều dày thân tháp : S = 2 (mm)
Khối l−ợng thân tháp là:
= = b Khối l−ợng nắp và đáy tháp:
Theo các thông số của nắp và đáy tháp đã chọn:
- Bề mặt trong của nắp, đáy tháp : F = 0,76 (m 2 ) [II - 382]
- Chiều dày của nắp, đáy tháp lấy chung: S =2 (mm) = 2.10 -3 (m)
Khối l−ợng nắp và đáy tháp là:
Theo các thông số của bích đã chọn:
- Đ−ờng kính trong của bích: D t = 0,8 (m)
- Đ−ờng kính ngoài của bích: D = 0,93 (m)
= − = d Khối l−ợng bu lông nối bích:
Theo các thông số của bích đã chọn :
Cần 3 cặp bích, mỗi cặp cần 32 bu lông loại M20 (khối l−ợng: 0,15 kg/cái)
Khối l−ợng bu lông nối bích là:
G bl = = e Khối l−ợng đệm: Đệm 30ì ì30 3, 5 ρ d = 570 ( Kg m 3 )
G D = ⋅N ⋅ − = ⋅ ⋅ − f Khối l−ợng lỏng điền đầy tháp:
Nh− vậy tính gần đúng: thap than N D B BL d l
- Theo [II – 437] chọn chân đỡ có tải trọngcho phép trên một chân
- Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ
- Vật liệu CT3, chân đỡ kiểu IV, số chân 6
Tải trọng cho phÐp trên một ch©n
Tải trọng cho phÐp trên bề mặt đỡ q.10 -6 , N/m 2 mm
VI Tính cân bằng nhiệt
1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
- Ph−ơng trình cân bằng nhiệt l−ợng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu xql ng F f
Q : Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào (J/h)
Q f : Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
Q F : Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Q ng : Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra (J/h)
Q xq : Nhiệt l−ợng mất mát do môi tr−ờng xung quanh(J/h)
- Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất p = 2at, t s 0 9 0 C a Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào
D 1: L−ợng hơi đốt (Kg/h) λ1: Nhiệt l−ợng riêng của hơi đốt (J/Kg)
1 9 θ : Nhiệt độ nước ngưng r 1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg)
Theo bảng số liệu nhiệt hoá hơi nhiệt độ [I – 301]
Tại: t 0 =θ 1 nội suy ta có:
C : Nhiệt dung riêng của n−ớc ng−ng ( J Kg ⋅ do ) b Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang vào
F: L−ợng hỗn hợp đầu mang vào ( Kg h )
C f : Nhiệt dung riêng hỗn hợp ( J Kg ⋅ do ) ở: t f = 20 0 C ⇒ C E = 2480 ( J Kgdo )
C = J Kgdo Đổi nồng độ sang phần trăm khối l−ợng
Q = G ⋅ ⋅ t c = ⋅ ⋅ = ( J h ) c Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang ra
90, 30 t F = C: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu mang sau đun nóng
C F : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra ( J Kg ⋅ do )
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – Nhiệt độ [I – 172]
+ Nhiệt dung riêng của r−ợi E – H ở 80 0 Cvà ở 100 0 C
- Đối với r−ợi E: ở 80 0 C: C E 220( J Kg ⋅ do ) ở 100 0 C:C E 520( J Kg ⋅ do )
- Đối với H: ở 80 0 C:C H A90 ( J Kg ⋅ do ) ở 100 0 C:C H B30( J Kg ⋅ do )
0 80 t x 100 t 0 C Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng theo nhiệt độ
Nhiệt dung riêng của r−ợi Etylic và N−ớc ở t F , 3 0 C
Q F = ⋅ ⋅ = ( J h ) d Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra
Q ng =D C⋅ ⋅θ ( J h ) [II – 197] đ Nhiệt l−ợng mất ra môi tr−ờng xung quanh
Q xq = ⋅D r⋅ ( J h ) [II – 197] e L−ợng hơi đốt cần thiết
- Ph−ơng trình cân bằng nhiệt của tháp ch−ng luyện
Q F : Nhiệt l−ợng do hỗn hợp dầu mang vào tháp ( J h )
Q : Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào tháp ( J h )
Q R :Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp ( J h )
Q y : Nhiệt l−ợng do hơi mang ra ở đỉnh tháp ( J h )
Q w : Nhiệt l−ợng sản phẩm đáy mang ( J h )
Q xq 2 : Nhiệt l−ợng mất mát ra môi tr−ờng xung quanh ( J h )
Q ng 2 : Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra ( J h )
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hoà p=2at, t 0 9 0 a Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào tháp
D 2 : L−ợng hơi đốt ( J Kg ) λ 2 : Hàm nhiệt (nhiệt l−ợng riêng) của hơi đốt ( J Kg ) θ 2 9 0 C: Nhiệt độ nước ngưng ( J Kg ) r 2 : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt ( J Kg ) r 2 = =r 1 2210, 4 10⋅ 3 ( J Kg )
C 2 : Nhiệt dung riêng của n−ớc ng−ng ( J Kg ⋅ do ) b Nhiệt lượng do hồi lưu mang vào
G R : Lượng lỏng hồi lưu ( Kg h )
Q R = ⋅ ⋅ = ⋅ ( ) W c Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp
Trong đó: λ d : Hàm nhiệt của hơi ở đỉnh tháp
1, 2 λ λ : Nhiệt l−ợng riêng của Etylic và N−ớc
Theo bảng (I – 301) và nội suy ta có:
Q y = ⋅ ⋅ + = ⋅ J h d Nhiệt l−ợng do sản phẩm đáy mang ra
G W : L−ợng sản phẩm đáy ( Kg h )
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – Nhiệt độ [I – 172]
+ Nhiệt dung riêng của r−ợi E – H ở 80 0 Cvà ở 100 0 C
- Đối với r−ợi E: ở 80 0 C: C E 220( J Kgdo ) ở 100 0 C:C E 520( J Kgdo )
0 80 t x 100 t 0 C Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng theo nhiệt độ
Nhiệt dung riêng của r−ợi Etylic và N−ớc ở t F , 5 0 C
Q W = ⋅ ⋅ = ⋅ ( J h ) đ Nhiệt l−ợng mất mát do môi tr−ờng xunh quanh
Q xq = ⋅ ⋅ ( ) J h [II – 198] e Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra
G ng : L−ợng n−ớc ng−ng bằng l−ợng n−ớc ng−ng tụ f L−ợng hơi đốt cần thiết
3 Thiết bị ng−ng tụ
- Ph−ơng trình cân bằng nhiệt thiết bị ng−ng tụ hoàn toàn
Trong đó: r d : ẩn nhiệt hóa hơi của đỉnh tháp ( J Kg )
Theo [I – 301] néi suy ta cã:
0,1225 a G n : L−ợng n−ớc tiêu tốn ( J Kg )
1, 2 t t : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh ở 0 0 C
Nhiẹt độ vào của nước làm lạnh lấy ở nhiệt độ thường ở t 1 0 C
Nhiệt độ ra của nước lamg lạnh chọn t 1 @ 0 C
= C n : Nhiêt độ riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ( J Kg do )
Theo [I – 195] và nội suy ta có:
L−ợng n−ớc lạnh cần thiết
- Ph−ơng trình cân bằng nhiệt của thiết bị làm lạnh
G : L−ợng n−ớc lạnh tiêu tốn ( Kg h )
1, 2 t t : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ng−ng tụ 0 0 C
Sản phẩm sau ng−ng tụ ở trạng thái sôi
Nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp t 1 ' , 3 0 C
Nhiệt độ ra của sản phẩm đáy lấy là t 2 ' % 0 C
= C P : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh ng−ng tụ
Theo [I – 202] và nội suy ta có: ở t o W, 65 0 C C E (97 ( J Kg do )
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp:
L−ợng n−ớc lạnh cần thiết:
VII thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Để đun nóng hỗn hợp đầu (theo phần khối l−ợng) với năng suất 7000 kg/h, giả thiết dung dịch đầu có nhiệt độ ban đầu t 0 C, cần đun nóng đến nhiệt độ sôi t F
Hỗn hợp được đun nóng bằng thiết bị gia nhiệt ống chùm đứng, sử dụng hơi nước bão hòa áp suất 2at (tương đương 119,6°C) để đạt nhiệt độ sôi 0°C (theo đường cân bằng x-y-t).
Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số:
- Bề mặt truyền nhiệt trên 1 đơn vị thể tích(m 2 /m 3 ): 15 – 40
- L−ợng kim loại cần cho 1 đơn vị nhiệt tải: 1
- L−ợng kim loại cần cho 1 đơn vị bề mặt đốt: 30 – 80
- Chiều dày thành ống: δ = 2,5 (mm)
⇒ Đ−ờng kính trong của ống là: d O = 20 (mm)
- Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống
Chọn vật liệu chế tạo ống là thép không gỉ 2X13
⇒ Theo I-148, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là : λ = 25,4 (W/m.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hoà ở áp suất 2 at, có t o sôi = 119 o C
1 Hiệu số nhiệt độ trung bình:
Nhiệt độ vào của dung dịch là t đ = 20 o C
Nhiệt độ ra của dung dịch là t c = t sôi = t F = 90,3 o C
Hơi đốt là hơi nước bão hoà nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at): 119,62 o C Δt 1 = 119 – 20 = 99 o C Δt 2 = 119 – 90,3 = 28,7 o C
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là:
Nhiệt độ trung bình của hơi đốt là t tb1 = 119 o C
Nhiệt độ trung bình của dung dịch là ttb2 = ttb1 - Δt tb = 119 – 56,8 = 62,2 o C
Trong độ: m: L−ợng dung dịch đ−a vào (kg/s) m = F = 1,05 (kg/s)
C P: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – t o (I-202) tại t o = t tb2 , nội suy ta có:
Nồng độ hỗn hợp đầu : a F =0,1225
CP = C1.aF + C2.(1 – aF) = 4043,9188(J/kg.độ) tđ, tc: Nhiệt độ vào và ra của dung dịch ( o C)
3 Diện tích trao đổi nhiệt: Δt1 Δt2 ΔtT th tdd tT1 tT2 q 1 q 2 δ α 1 α 2 q T
Bài viết trình bày các ký hiệu nhiệt độ: nhiệt độ hơi đốt (th), nhiệt độ mặt ngoài ống (tT1), nhiệt độ mặt trong ống (tT2), nhiệt độ dung dịch (tdd), cùng các hiệu nhiệt độ tương ứng (Δt1, Δt2, ΔtT) Các thông số khác bao gồm: chiều dày thành ống (δ), nhiệt độ màng nước ngưng (tm), nhiệt tải riêng (q1, q2) và hệ số cấp nhiệt (α1, α2) Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (α1) được tính toán tiếp theo.
A: Phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng t m r: ẩn nhiệt hoá hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hoà t h (J/kg)
Theo bảng số liệu Nhiệt hoá hơi – t o (I-301), nội suy ta có: r = 2201,4.10 3 (J/kg) Δt: Hiệu nhiệt độ giữa hơi đốt và mặt ngoài ống ( o C): Δt= Δt 1
H: ChiÒu cao èng (m) : H = h O = 1,0 (m) b Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch:
Phương trình chuẩn số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức:
Trong đó: ε 1 : Hệ số hiệu chỉnh: 50 1
= α l Nu α: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch (W/m 2 độ): α = α 2 l: Kích th−ớc hình học chủ yếu (m): l = d O = 0,020 (m) λ: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (W/m.độ)
A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của dung dịch
Etylic và N−ớc là hỗn hợp lỏng liên kết: A = 3,58.10 -8
C P : Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ): C P = 3827,64 (J/kg.độ) ρ: Khối l−ợng riêng của dung dịch (kg/m 3 )
Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc theo t tb2 = 57,22°C:
Nồng độ khối l−ợng của dung dịch: a F = 0,1225
M: Khối l−ợng mol phân tử của dung dịch (kg/kmol)
Re: ChuÈn sè Reynolt Để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phải ở chế độ chảy xoáy ⇒ Chọn Re
Pr: Chuẩn số Prand của dòng tính theo nhiệt độ dòng: λ
Pr P μ: Độ nhớt của dung dịch (N.s/m 2 )
Theo bảng và toán đồ (I-102) với nhiệt độ dung dịch t tb2 = 57,22°C: μ E = 0,5738 (cP) μ H = 0,4654 (cP) Theo công thức (I-93), ta có: lg μ = x F lg( μ E ) (1 + − x F ).lg( μ H ) μ = 0,4618 (cP) = 0,506 10 -3 (N.s/m 2 )
Pr t : Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ tường:
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ c Tổng nhiệt trở thành ống:
Bài toán tính toán truyền nhiệt được thiết lập với các thông số: nhiệt trở lớp cặn ngoài r1 = 0,232.10⁻³ (m².độ/W), nhiệt trở lớp cặn trong r2 = 0,387.10⁻³ (m².độ/W), chiều dày thành ống δ = 2,5.10⁻³ (m) và hệ số dẫn nhiệt của thành ống λT = 25,4 (W/m.độ).
⇒ (m 2 độ/W) d Nhiệt tải riêng trung bình:
Theo bảng số liệu A – t m (II-29), nội suy ta có: A = 186,65
Theo bảng và toán đồ (I-102) với nhiệt độ tường t T2 : μ E = 0,4056 (cP) μ H = 0,3375 (cP) Theo (I-93), ta cã: lg μ t = x F lg( μ E ) (1 + − x F ).lg( μ H )
Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc (I-10) theo t T2 :
Ta có nhiệt tải riêng trung bình:
= e Diện tích trao đổi nhiệt:
Số ống truyền nhiệt cần dùng là:
Chọn cách xếp ống theo hình lục giác, gọi a là số ống trên một cạnh hình lục giác
Tổng số ống là : nO = 3.a.(a-1) + 1 (ống) [V.139 – II.48]
Số ống trên đ−ờng chéo hình lục giác : b = 2a – 1 = 13 (ống)
Chọn b−ớc ống là: t = 0,03 (m) (1,2d –1,5 d) Đ−ờng kính ngoài của ống là: d = 0,025 (m) Đ−ờng kính trong của thiết bị là:
Vận tốc dung dịch trong ống:
Theo giả thiết ( chế độ chảy xoáy với Re = 10 4 ):
Ta cần phải chia ngăn thiết bị, số ngăn chia là:
Quy chuẩn, ta chia thiết bị làm 7 ngăn
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Số ống: n 0 7 chia làm 7 ngăn
Bố trí ống theo hình lục giác, số ống trên 1 cạnh = 7 ống
Chiều cao ống h= 1(m), đ−ờng kính d= 25(mm), chiều dày thành ống δ =2, 5(mm), đ−ờng kính trong của ống d 0 = 20(mm)
Vật liệu chế tạo ống thép không gỉ 2ì13
Hệ thống bơm hoạt động liên tục, vận chuyển dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị Ống chảy tràn duy trì mực chất lỏng và áp suất ổn định trong thùng, đảm bảo cấp liệu hiệu quả.
H 0 : Chiều cao tính từ mặt thoáng bể chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m)
H 1 : Chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m)
H 2 : Chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m)
Z : Chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị
1 Các trở lực của quá trình cấp liệu:
Tronh quá trình sản xuất a Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt: ΔP m1 = ΔP ms1 + ΔP cb1 + ΔP w (N/m 2 )
Trong đó: ΔP ms1 : Trở lực ma sát (N/m 2 ) ΔP cb1 : Trở lực cục bộ (N/m 2 )
Chiều dài ống: L1 = 2 (m) §−êng kÝnh èng: dO = 0,09 (m)
Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống:
Trong đó: ρ 1 : Khối l−ợng riêng dung dịch tr−ớc khi gia nhiệt (kg/m 3 )
Nhiệt độ của dung dịch lúc đầu: t = 20 o C
Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc (bảng I-10) theo t: ρ E = 780 (kg/m 3 ) ρ H = 998 (kg/m 3 ) Nồng độ khối l−ợng của dung dịch a = a F = 0,1225
Khối l−ợng riêng của dung dịch lúc đầu là:
3) wO1: Vận tốc dung dịch trong ống (m/s)
Trong đó: λ: Hệ số ma sát
Nhiệt độ dung dịch trong ống là: t = 20 o C
Theo toán đồ xác định độ nhớt theo nhiệt độ (I-102), ta có: μ E = 1,19 (cP) μ H = 1 (cP) Nồng độ dung dịch: x = 0,174 lg(μ 1 ) = x.lg(μ E ) + (1- x).lg(μ H )
Xác định λ theo công thức:
Với loại ống thép không gỉ ta đã chọn, theo bảng I-466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám tương đối: Δ = ε/d O = 0,1/90 = 1,11.10 -3 [I - 464]
Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ
Các trở lực cục bộ trong ống gồm:
- Trở lực cửa vào từ thùng cao vị vào ống: với cạnh nhẵn ⇒ ξ = 0,5
- Trở lực do đột mở từ ống vào thiết bị gia nhiệt:
Thiết bị có đ−ờng kính d = 0,46 (m)
Tiết diện đầu thiết bị (chia 7 ngăn) là:
- Trở lực do van: Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1
- Trở lực do ống chuyển h−ớng 2 lần với góc chuyển là 90 o ⇒ ξ = 1,1 [I - 479]
P m Δ = + = (N/m 2 ) b Trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đến tháp: ΔP m2 = ΔP ms2 + ΔP cb2 +ΔP w (N/m 2 )
Trong đó: ΔP ms2 : Trở lực ma sát (N/m 2 ) ΔP cb2 : Trở lực cục bộ (N/m 2 )
- Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống:
Trong đó: ρ 2 : Khối l−ợng riêng dung dịch sau khi gia nhiệt (kg/m 3 ): ρ 2 = ρ F = 725,785 (kg/m 3 ) ω0: Vận tốc dung dịch trong ống(m/s)
Trong đó: λ: Hệ số ma sát
Nhiệt độ dung dịch trong ống là: t = 83,7645 o C
Theo toán đồ xác định độ nhớt theo nhiệt độ (I-102), ta có: μ E = 0,3789 (cP) μ H = 0,3194 (cP) Nồng độ dung dịch: x = 0,0518 lg(μ 2 ) = x.lg(μ E ) + (1- x).lg(μ H )
- Xác định hệ số ma sát λ theo công thức II-464:
Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ
Các trở lực cục bộ trong ống gồm:
- Trở lực do đột thu từ thiết bị gia nhiệt vào ống:
⇒ = = ⇒ - Trở lực cửa ra từ ống vào tháp: ⇒ ξ = 1,0
- Trở lực do van: Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1
- Trở lực do ống chuyển h−ớng với góc chuyển là 90 o ⇒ ξ = 1,1
P m Δ = + = (N/m 2 ) c Trở lực trong thiết bị gia nhiệt: ΔP m3 = ΔP ms3 + ΔP cb3 +ΔP w3 + ΔP H (N/m 2 )
Trong đó: ΔP ms3 : Trở lực ma sát (N/m 2 ) ΔP cb3 : Trở lực cục bộ (N/m 2 )
Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống truyền nhiệt:
Trong đó: ρ: Khối l−ợng riêng dung dịch trong ống (kg/m 3 ): ρ = 931,1057 (kg/m 3 ) w: Vận tốc dung dịch trong ống truyền nhiệt (m/s)
Thiết bị chia làm 7 ngăn: w = 7 w TT = 7 0,0283= 0,1981 (m/s)
L: Chiều dài ống truyền nhiệt do chia7 ngăn : L = 7 1,0 = 7,0 (m) d O : Đ−ờng kính ống truyền nhiệt (m) : d O = 0,02 (m) λ: Hệ số ma sát Độ nhớt dung dịch trong ống: μ = 0,3408 10 -3 (N.s/m 2 )
Xác định λ theo công thức II-464:
Với loại ống thép không gỉ ta đã chọn, theo bảng I-466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám tương đối: Δ = ε/d O = 0,1/20 = 5.10 -3
Trở lực cục bộ: w 3 cb P
Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ a b d c e h f g
Các trở lực cục bộ trong thiết bị gia nhiệt gồm:
- Trở lực do đột thu từ đầu thiết bị vào chùm ống
- Thiết bị có số ống truyền nhiệt n O = 127 chia làm7 ngăn
- Tiết diện chùm ống ở 1 ngăn là:
- Trở lực do đột mở từ chùm ống ra đầu thiết bị:
- Trở lực do dòng chuyển h−ớng 10 lần với góc chuyển là 90 0 ξ =1,1
2 Tính chiều cao của thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu:
Viết ph−ơng trình Becnuli cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2 (lấy 2-2 làm mặt chuẩn):
P 1 , P 2 : áp suất tại mặt cắt 1 và 2 (N/m 2 )
P 2 = P 1 +ΔP L 66,516 + 9,81.10 4 (N/m 2 ) 666,5(N/m 2 ) w 1 : Vận tốc dung dịch tại mặt cắt 1 (m/s)
Vận tốc dung dịch tại mặt cắt 1 (w1) xấp xỉ 0 m/s do tiết diện thùng chứa lớn hơn nhiều so với tiết diện ống Tại mặt cắt 2, vận tốc đạt 0,2275 m/s (w2) Khối lượng riêng của dung dịch trước và sau khi gia nhiệt lần lượt là 966,6334 kg/m³ (ρ1) và 725,785 kg/m³ (ρ2).
P m Δ :Tổn thất áp suất trở lực
Bơm ly tâm làm việc ở áp suất th−ờng, ở 20 0 C thì chiều cao hút của bơm là 5(m)[Bảng II.34a – I.539]
Chiều cao đẩy của bơm là:
4 áp suất toàn phần của bơm và năng suất bơm a Trở lực trong ống dẫn từ bể chứa lên thùng cao vị ΔP m0 = ΔP ms0 + ΔP cb0 (N/m 2 )
Trong đó: ΔP ms0 : Trở lực ma sát (N/m 2 ) ΔP cb0 : Trở lực cục bộ (N/m 2 )
Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống:
Trong đó: ρ 1 : Khối l−ợng riêng dung dịch tr−ớc khi gia nhiệt (kg/m 3 ) w 0 : Vận tốc dung dịch trong ống (m/s)
Trong đó: λ: Hệ số ma sát
Nhiệt độ dung dịch trong ống là: t = 20 o C Độ nhớt dung dịch trong ống:
Xác định λ theo công thức:
Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ
Các trở lực cục bộ trong ống gồm:
- Trở lực do van: Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1
- Trở lực do ống chuyển h−ớng với góc chuyển là 90 o ⇒ ξ = 1,1
Chiều cao cột chất lỏng t−ơng ứng:
H m ΔP = = ρ b áp suất toàn phần của bơm:
Q: Lưu lượng thể tích của bơm (m 3 /s)
= = = − (m 3 /s) η:Hiệu suất toàn phần của bơm
Theo [I – 439] η η η η= 0 ⋅ ⋅ tl ck phụ thuộc vào loại bơm và năng suất, với bơm ly tâm chọn η=0,85
Chọn bơm có công suất 0,3(kw) khi đó công suất mô tơ: η tr :hiệu suất truyền động trục η tr =1 η đc : hiệu suất truyền động cơ η đc =0,85
Việc lựa chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất tính toán là biện pháp đảm bảo an toàn, dựa trên khả năng chịu tải vượt mức của bơm.
Trong đó β hệ số dự trữ công suất và trong trường hợp này ta chọn β=2(do N môtơ