ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CH4659 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ETHANOLNƯỚC MỤC LỤC PHẦN I. GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................... 2 1.Tổng quan về quá trình chưng luyện .................................................................... 2 1.1.Khái niệm về chưng cất .......................................................................................... 2 1.2.Thiết bị chưng luyện ............................................................................................... 3 2. Hỗn hợp cần tách ................................................................................................... 4 2.1. Các tính chất của nước .......................................................................................... 4 2.2. Các tính chất của Etanol ....................................................................................... 4 2.3. Ứng dụng Ethanol trong công nghiệp .................................................................. 4 PHẦN II.SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC ............................... 6 1.Sơ đồ công nghệ (PFD) .............................................................................................. 6 2.Sơ đồ PI .................................................................................................................... 8 3.Sơ đồ mặt bằng hệ thống (Plant layout) ................................................................. 10 Phần III.TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH ............ 12 1.Tính cân bằng vật chất và chuyển đổi nồng độ .................................................. 12 1.1. Cân bằng vật chất ................................................................................................ 12 1.2.Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol......................... 12 2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp ........................................................................ 14 2.1 Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất ......................................................................... 14 2.2. Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu N LTmin .......................................................... 16 2.3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R th ................................................................. 17 3.Tính toán đường kính tháp .................................................................................. 28 3.1. Tính toán lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn tháp ............................ 28 3.1.1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện ................................................ 28 3.1.2.Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện .............................................. 31 3.1.3.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng .............................................. 31 3.1.4.Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng ............................................. 32 3.2.Xác đinh tốc độ làm việc của pha hơi trong đoạn chưng,đoạn luyện............... 33 3.2.1. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong đoạn luyện ............... 33 3.2.2. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đi trong đoạn luyện ............. 33 3.2.3. Khối lượng riêng trung bình pha hơi đi trong đoạn chưng .................... 34 3.2.4. Khối lượng riêng pha lỏng trong đoạn chưng .......................................... 35 3.3.Vận tốc dòng hơi đi trong tháp ............................................................................ 36 3.3.1.Vận tốc hơi đi trong đoạn luyện ................................................................. 36 3.3.2.Vận tốc hơi đi trong đoạn chưng ................................................................ 36 3.4.Tính đường kính tháp ........................................................................................... 37 3.4.1. Đường kính đoạn luyện .............................................................................. 37 3.4.2. Đường kính đoạn chưng ............................................................................. 37 4.Tính chiều cao tháp ............................................................................................... 38 4.1.Xác định số đĩa thực tế của tháp .......................................................................... 38 4.2. Chiều cao của tháp ............................................................................................... 42 5. Tính trở lực của tháp ........................................................................................... 43 5.1. Chọn thông số đĩa ................................................................................................. 43 5.1.1. Chọn thông số đĩa ........................................................................................ 43 5.1.2.Tải trọng ngưỡng chảy tràn ........................................................................ 45 5.1.3.Tải trọng kênh chảy truyền ......................................................................... 47 5.1.4.Kiểm tra tốc độ rò rỉ lỏng qua lỗ đĩa .......................................................... 47 5.2.Trở lực của tháp .................................................................................................... 51 5.2.1.Trở lực đĩa khô ∆
Đầu đề thiết kế
Tính toán, thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất khí quyển để tách hỗn hợp hai cấu tử methanol-Nước
Loại tháp: tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có kênh chảy chuyền
Các số liệu ban đầu
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: F = 4.0 (kg/s)
- Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi:
+ Hỗn hợp đầu : aF = 14 (% khối lƣợng)
+ Sản phẩm đỉnh: aP = 97 (% khối lƣợng)
+ Sản phẩm đáy: aW = 1.8 (% khối lƣợng)
Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4)
3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính
4 Tính và chọn thiết bị phụ
Các bản vẽ
Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4 Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1
V Cán bộ hướng dẫn: Đỗ Xuân Trường
VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng 10 năm 2021
Bảng 3 1 Cân bằng lỏng hơi nước-Methnol 16
Bảng 3 3 Tổng hợp kết quả 22
Bảng 3 4 Tổng hợp kết quả 31
Bảng 3 5 Tổng hợp kết quả 31
Hình 3 1 Sơ đồ hệ thống chưng 15
Hình 3 2 Đồ thị YX xác định số đĩa lý thuyết 17
Hình 3 3 Đồ thị YX xác định 𝑿𝑭 và 𝒀 ∗ 𝑭 17
Hình 3 4 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 19
Hình 3 5 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 19
Hình 3 6 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 20
Hình 3 7 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 20
Hình 3 8 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 21
Hình 3 9 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 21
Hình 3 10 Đồ thị xác định chỉ số hồ lưu thích hợp 22
II Các số liệu ban đầu: 2
III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 2
1.2 Giới thiệu về hỗn hợp chưng 9
1.2.3 Hỗn hợp rượu methanol – nước: 10
PHẦN 2: SƠ ĐỒ, MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 12
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 14
3.1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ 14
3.1.2 Tính chỉ số tối thiểu 16
3.1.3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp 18
3.1.5 Phương trình nồng độ làm việc 22
3.3.1 Khối lượng riêng trung bình 27
3.4.1 Tốc độ làm việc của pha hơi 28
3.6 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện 29
3.7 Cân bằng nhiệt lượng trong tháp chưng luyện 32
3.7.1 Cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị gia nhiệt hôn hợp đầu 33
3.7.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp 34
3.8 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn : 37
3.9 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh: 38
3.10 Trở lực tháp chưng luyện 38
3.10.1 Trở lực đĩa khô ( ∆Pk ) 𝝎 2 o 39
3.10.2 Trở lực của đĩa đo sức căng bề mặt: 39
3.10.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa: 40
3.10.4 Trở lực của toàn tháp 40
CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 41
4.2 Áp suất trong thiết bị: 41
4.4 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp 43
4.5 Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp: 43
4.6 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy tháp: 44
4.7 Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu: 44
4.8 Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu: 45
4.9 Tính đáy và nắp thiết bị: 46
4.10.1 Chọn bích để nối các ống dẫn thiết bị 48
4.11.1 Tính khối lượng toàn bộ thân tháp 48
4.11.1.1 Khối lượng của đáy và nắp 49
4.11.1.2 Khối lượng của thân tháp: 49
4.11.1.3 Khối lượng cột chất lỏng trong tháp: 49
4.11.1.5 Khối lượng của các đĩa : ( khi chưa đục lỗ) 50
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 51
5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 51
5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi 52
5.1.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 53
5.1.3 Xác định bề mặt của ống truyền nhiệt 57
5.1.4 Xác định ống truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt 57
5.1.5 Tính lại vận tốc, chia ngăn: 57
5.2 BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ 58
5.2.2 Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu 63
5.2.3 Tính toán các thông số của bơm li tâm 63
5.3 Tính toán thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 64
5.3.1 Tính lượng nhiệt trao đổi 65
5.3.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 65
5.3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt 68
5.3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt 69
5.3.5 Đường kính trong của thiết bị 69
SƠ ĐỒ, MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
Hoạt động của dây chuyền sản xuất
Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3 Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu qua thiết bị đun nóng dung dịch 4 Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi Sau đó, dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu
Tháp chưng luyện gồm hai phần: Phần từ đĩa tiếp liệu trở lên là đoạn luyện, phần từ đĩa tiếp liệu trở xuống là của đoạn chưng
Như vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tang dần theo chiều cao tháp Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tang Cấu tử dễ bay hơi có nheietj độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tang thì nheiejt độ sôi của dung dịch giảm Do đó, theo chiều cao của tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tang dần, nồng độ cấu tử khhos bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần và nhiệt độ giảm dần Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần haaif hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở dáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỷ lệ lớn Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp Hơi đỉnh tháp dược ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn hòi lưu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8 Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu về đĩa đáy tháp, phần chất lỏng còn lại đưa vào bể chứa sản phẩm đáy 10 Nước ngưng của các theiets bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng 11
Như vậy thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm được đẩy ra liên tục)
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ
Kí hiệu các đại lượng:
F: lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)
P: lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h) xf: nồng độ mol cấu tử hỗn hợp dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu xp: nồng độ mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh xw: nồng độ mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy
+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp + số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao của đoạn chưng vầ đoạn luyện
+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp
F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu = 4 (kg/s)
Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at)
Tháp chưng loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền ĐIỀU KIỆN : aF: nồng độ methanol trong hỗn hợp đầu = 14% phần khối lượng aP: nồng độ methanol trong sản phẩm đỉnh = 97% phần khối lượng aw: nồng độ methanol trong sản phẩm đáy = 1.8% phần khối lượng
MA: khối lượng phần tử methanol = 32(kg/mol)
MB: khối lượng phân tử nước = 18 kg/mol ĐỔI PHẦN KHỐI LƯỢNG SANG PHẦN MOL xf = 𝑎𝑓/𝑀𝑎
TÍNH KHỐI LƯỢNG MOL TRUNG BÌNH: Áp dụng công thức: M= x.MA+(1-x) MB
Hỗn hợp đầu vào F (methanol- nước ) được phân tách thành sản phẩm đỉnh P (methanol) và sản phẩm đáy W ( nước ) Ở đĩa trên cùng có 1 lượng lỏng hồi lưu, ơ đáy tháp có thiết bị đun sôi Lượng hơi đi ra từ đỉnh tháp D0
Hình 3 1 Sơ đồ hệ thống chưng
Phương trình cân bằng vật liệu
GF là lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp (kg/h)
GP là lượng saen phẩm đỉnh (kg/h)
GW là lượng sản phẩm đáy (kg/h)
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (METHANOL)
GF aF = GP aP + GW aW
19.176 = 750.938 (kmol/h) Lượng sản phẩm đỉnh:
3.1.2 Tính chỉ số tối thiểu
Dựa vào sổ tay hóa công (2-148) ta có thành phần cân bằng lỏng hơi của methanol- nước cho theo bẳng sau
Bảng 3 1 Cân bằng lỏng hơi nước-Methnol
Hình 3 2 Đồ thị YX xác định số đĩa lý thuyết
Hình 3 3 Đồ thị YX xác định 𝑿 𝑭 và 𝒀 ∗ 𝑭
Với giá trị xF=0.084 phần mol ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng, từ đó ta kẻ dường song song với trục x cắt y tại B và ta xác định được: y*F= 0.37 từ đó ta tính được Rmin
Ap dụng công thức nội suy
𝑋𝑏−𝑋𝑎 Hỗn hợp đầu F có xF= 0.084 phần mol
SP X phần mol y* phân mol t
3.1.3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu R= 𝛽 Rmin
Trong đó :𝛽 : hệ số dư hay hê số điều chỉnh
Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng
Ta biết Rmin cho β biến thiên bất kì trong khoảng (1.2- 1.5), tính được R tương ứng Ở mỗi R tương ứng ta sẽ vẽ đường làm việc và vẽ các bậ thay đổi nồng độ lý thuyết N
Dưới đây là các đồ thị số đĩa lí thuyết trên cơ sở đường cân bằng, xP, xF, xW Đường làm việc đoạn luyện đi qua các điểm ( xP, yP) và cắt trực tung có điểm
𝑅+1 , đường làm việc đoạn chưng đi qua giao điểm của đường làm việc đoạn luyện với đường xF = const và điểm ( xW, yW) Vẽ các tam giác như hình ta thu được số đĩa lý thuyết
Hình 3 4 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết β=1.4, R=1.4Rmin =2.82; B = 0.248; N= 9.8
Hình 3 5 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết
Hình 3 6 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết β=1.8, R=1.8Rmin =3.636; B = 0.2045; N= 8.6
Hình 3 7 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết
Hình 3 8 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết β=2.5, R=2.5Rmin =5.05; B = 0.156; N= 7.6
Hình 3 9 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết
Bảng 3 3 Tổng hợp kết quả
Hình 3 10 Đồ thị xác định chỉ số hồ lưu thích hợp
Thiết lập quan hệ N(R+1)-R ta xác định được Rth tại giá trị nhỏ nhất N(R+1) Kết quả thu được Rth=2.82 tại β=1.4
Với Rth= 2.82 xác định được số đĩa lý thuyết Nlt=9.8 ~ 10
Trong đó Số đĩa doạn chưng là 4
Số đĩa đoạn luyện là 6
3.1.5 Phương trình nồng độ làm việc
Phương trình nồng độ làm việc đoạn luyện:
2.82+1=> y=0.738x+0.248 Phương trình nồng độ đoạn chưng:
Tính đường kính tháp
Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h)
tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s) gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn luyện khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau
3.2.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h) g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn chưng (Kg/h) gtB: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h)
+ Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp gđ = GR + GP = GP (R+1) = 59.01*(2.82+1) = 225.42 ( kmol/h)
GP: Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
GR: Lượng chất lổng hồi lưu (kg/h)
+ Lượng hơi đi vào đoạn luyện
Từ hệ phương trình: g1 = G1 + Gp g1y1= G1x1+ GPxP (2.182) g1r1=gđ.rđ
G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất
24 rd: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp y1: hàm lượng hơi
Tính r1 : r1= rA y1+(1-y1) rn rđ= rA yđ + ( 1-yđ) rn rA: ẩn nhiệt hóa hơi của methanol (kj/kmol) rn : ẩn nhiệt hóa hơi của nước (kj/kmol)
Tra bảng I.211 Sổ tay HCONG I Ta có: Ở 60℃ có r A = 265 kcal/kg
Tại tF.172 ℃ nội suy : rA = 265+ 242−265
Tra bảng I.211 sổ tay HCONG I ta có: ở 60℃ có r n = 579 kcal/kg
Tại tF.172 ℃ nội suy : rn = 579+ 539−579
Tra bảng I.211 Sổ tay HCONG I Ta có: Ở 60℃ có r A = 265 kcal/kg
Tại tP= 65.28 t ℃ nội suy : rA = 265+ 242−265
Tra bảng I.211 sổ tay HCONG I ta có : ở 60℃ có r n = 579 kcal/kg
Tại tFe.28 ℃ nội suy : rn = 579+ 539−579
rn= 573.72*4.18*18C166.70 (kj/kmol) Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp là rđ = 35040.305* 0.948+(1-0.948) *43166.70= 35462.88 kj/kmol
Ta thiết lập được hệ phương trình: g1 = G1 + 59.01 g1y1= G1*0.084+59.01 *0.948 (2.182) g1(41369.21-8167.3y1) = 225.42* 35462.88
Giải hệ trên ta thu được: g1= 206.73 (kmol/h)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện g‘tb = 𝑔đ+𝑔1
2 !6.075 (kmol/h) Nồng độ hơi trung bình của đoạn luyện y‘tb= 𝑦đ+𝑦1
2 = 0.639 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp hơi trong đoạn luyện
My1 = y’tb *Ma+(1-y’tb)*Mn = 0.639*32+(1-0.639)*18&.946 (kg/kmol)
Lượng hơi trung bình của đoạn luyện tính theo (kg/h) là: gtb’= 216.075*26.946X22.36 (kg/h)
Lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoan luyện là
3.2.1.2 Lưu lượng trung bình đi trong đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng xác định gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng gchungtb= 𝑔1′+𝑔𝑛′
+ g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)
+ g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện gn’ =g1 nên:
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g2 1’,lượng lỏng G1’ , hàm lượng lỏng x1’ được xác định theo hệ phương trình can bằng vật liệu và nhiệt lượng sau
Với : G ’ 1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng
26 r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng y1’=yw Dựa vào đường cân bằng pha lỏng hơi ứng với vị trí xw=0.0102 ta có yw= 0.0643 ( bảng 1.1) => y1’=0.0643
Tại tw.152 ℃ Tra sổ tay HCONGI I.211 ta có Ở 60℃ có r A = 265 kcal/kg
100−60 (98.152-60) $3.06 (kcal/kg) rA= 243.06*4.18*322511.71 (kj/kmol)
Tra bảng I.211 sổ tay HCONG I ta có : ở 60℃ có r n = 579 kcal/kg
Tại tFe.28 ℃ nội suy : rn = 579+ 539−579
100−60 (98.152-60) T0.85 (kcal/kg) rn= 540.85*4.18*18@693.56 (kj/kmol) r1’: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng được xác định theo công thức r1’= ra.y1’+(1-y1’).rn (II.182)
Tại tw.152℃ thay vào các giá trị tìm được ta có r1’= 243.06*0.0643+(1-0.0643)* 40693.56= 38092.60 (kj/kmol) rn’: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng được xác định theo công thức rn’= ra.yn’+(1-yn’).rn (II.182)
Từ các giá trị ta thiết lập được hệ phương trình
Giải hệ trên ta được
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng gchungtb = 𝑔1+𝑔1′
2 8.31(kmol/h) Nồng độ hơi trung bình của đoạn chưng ychungtb= 𝑦1+𝑦1′
2 = 0.197 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp hơi trong đoạn chưng
Mchungy= ychungtb Ma+(1-0.197).Mn = 0.197*32+(1-0.197)*18 76 (kg/kmol) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng tính theo đơn vị (kg/h) gchungtb= 208.31*20.76= 4324.52 (kg/h)
Lượng lỏng trung bình của đoạn chưng là
Đường kính của tháp
Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h)
tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s) gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)
(𝜌𝑦 𝜔𝑦) tb : tốc độ hơi ( khí ) trung bình đi trong tháp ( kg/m 2 s)
3.3.1 Khối lượng riêng trung bình
3.3.1.1 Khối lượng riêng trung bình đoạn luyện a, Đối với pha hơi khối lượng riêng trung bình đoạn luyện với pha hơi
22.4𝑇 273 (kg/m 3 ) Trong đó T: là nhiệt độ trung bình của tháp (°K) yA nồng độ mol của cấu tử methanol lấy theo giá trị trung bình yA = 𝑦1+𝑦𝑃
2 = 0.6541 Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp ttb= 𝑡𝐹+𝑡𝑃
2 w.23 ℃ Khối lượng riêng trung bình đoạn luyện với pha hơi
22.4∗(77.23+273) 273 = 0.945 (kg/m 3 ) b,Đối với pha lỏng
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đoạn luyện là
Trong đó :𝜌xtb khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 )
:𝜌xtba, :𝜌xtbn khối lượng riêng trung bình của cấu tử methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình ( kg/m 3 ) atb1 phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng atb1= 𝑎𝐹+𝑎𝑃
80℃ : 𝜌xa = 736 kg/m 3 , 𝜌nc= 972 kg/m 3 (I.9 STHOACONG I)
Tại ttb= 77.23℃ nội suy ta có:
Từ các giá trị ta có
3.3.1.2 Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng a,Đối với pha hơi khối lượng riêng trung bình pha hơi của đoạn chưng
22.4𝑇 273 (kg/m 3 ) Trong đó T: là nhiệt độ trung bình của tháp (°K) yA nồng độ mol của cấu tử methanol lấy theo giá trị trung bình yA =ytbchung= 𝑦1+𝑦𝑤
2 = 0.197 Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp ttbchung= 𝑡𝑤+𝑡𝐹
2 66 ℃ Khối lượng riêng trung bình đoạn chưng với pha hơi
22.4∗(93.66+273) 273 = 0.689 (kg/m 3 ) b,Đối với pha lỏng
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đoạn luyện là
Trong đó :𝜌xtb khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 )
:𝜌xtba, :𝜌xtbn khối lượng riêng trung bình của cấu tử methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình ( kg/m 3 ) atb1 phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng atb1= 𝑎𝑤+𝑎𝐹
100℃ : 𝜌xa = 714 kg/m 3 , 𝜌nc= 958 kg/m 3 (I.9 STHOACONG I)
Tại ttb= 77.23℃ nội suy ta có:
Từ các giá trị ta có
3.4.1 Tốc độ làm việc của pha hơi
Tốc độ làm việc của pha hơi trong tháp được xác định dựa theo công thức Wgh = 0.05√ 𝜌𝑥
𝜌𝑦 Trong đó : Wgh: tốc độ giới hạn
𝜌x, 𝜌y là khối lượng riêng pha lỏng, pha hơi (kg/m 3 ) a, Đoạn luyện
0.945 =1.479( m/s) Để tránh tạo bọt tốc độ làm việc khoảng 80-90%
0.689 =1.829( m/s) Để tránh tạo bọt tốc độ làm việc khoảng 80-90%
Đường kính tháp
1.83 =0.84 ( thoa man) Như vậy ta có đường kính tháp
Xác định chiều cao của tháp chưng luyện
- Để xác định chiều cao của tháp có thể dùng nhiều phương pháp trong đó phương pháp số đĩa lý thuyết là phương pháp đơn giản, kết quả khá chính xác Ở đây xác định chiều cao theo phương án số điaã lý thuyết
Chiều cao các loại đĩa
Ntt số đĩa thực tế
Hđ : khoảng cách giữa các đĩa ( Hđ ảnh hưởng đến hiệu suất của tháp nếu Hđ ngắn thì lỏng bị bắn từ đĩa dưới lên đã tác dụng quá lớn thì gây lãng phí tốn kém về kinh tế
0.8 -1: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy
Xác định số đĩa thực tế
Hiệu suất trung bình tính theo công thức
𝜇i : hiệu suất làm việc của đĩa lý thuyết thứ i Độ bay hơi tương đối được tính theo công thức
Trong đó: x: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi y*: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi
Tại vị trí đĩa tiếp liệu 𝜇F
Có năng suất nguyên liệu F ở nhiệt độ tF 172 ℃
Nồng độ phần mol pha lỏng xF= 0.084 yF =0.37 (tính ở phần I)
0.084 = 6.4 Độ nhớt tại tF= 89.172 ℃ ở bảng I.101 và I.113 (trang92)
Với nước Ở 80 ℃ 𝜇n =0.357 10 -3 Ns/m 2 ( HOACONGI trang93)
100−80 ( 89.172-80) =0.324 10 -3 Ns/m 2 Độ nhớt hôn hợp được tính theo công thức
Lg 𝜇hh =xF Lg 𝜇a +(1-xF) 𝜇n
Bảng 3 4 Tổng hợp kết quả Đĩa 6 7 8 9 xP
Bảng 3 5 Tổng hợp kết quả
Số đĩa thực tế đoạn chưng là Ntt = 𝑁𝑙𝑡
Số đĩa thực tế đoạn luyen là Nttluyen = 𝑁𝑙𝑡
Chiều cao đoạn chưng là
Chiều cao đoạn luyện là
Cân bằng nhiệt lượng trong tháp chưng luyện
Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định hơi đốt cần thiết khi đun nóng hôn hơp đầu cũng như xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh
Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu rẻ và phổ biến trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng nhu cầu công nghệ, có hệ số cấp nhiệt lớn nên bề mặt truyền nhiệt nhỏ và có kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn
3.7.1 Cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị gia nhiệt hôn hợp đầu
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
QD1: Lượng nhiệt do hơi đốt mang vào (J/h)
Qf : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
QF : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Qng1 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Qxq1 Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)
3.7.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
D1: lượng hơi đốt (kg/h) r1: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg) γ1: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đốt ) ( J/kg) θ1 Nhiệt lượng nước ngưng (℃)
C1 Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước ngưng ở áp suất 5 at, có t°sôi = 151.1 ℃ t°sôi = θ1 1.1 ℃ (I -314)
Ta có: Cpn =1.027 kcal/kg ℃ (I-167)
Tại θ1 1.1 ℃ Ngoai suy : r1= 510.89 ( kcal/kg) r1 = 510.89 *4.1868.10 3 = 2138994.252 (J/kg)
3.7.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
F Lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
Cf nhiệt dung riêng hỗn hợp (J/kg Độ)
Tf nhiệt độ đầu của hỗn hợp (Lấy tf= 25 ℃) ở 25℃ : (Nội Suy)
Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu xác định theo công thức :
Cf = aF Cpa + (1-aF ) Cpn (I-152)
3.7.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
F Lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
CF nhiệt dung riêng hỗn hợp (J/kg Độ)
TF :nhiệt độ đầu của hỗn hợp ( Lấy tf= 25 ℃) ở tF = 89.172℃ Sổ tay Công 1 Trang 173 (bảng I.153)
Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu xác định theo công thức:
CF= aF Cpa + (1-aF) Cpn (I-152)
3.7.1.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
Gng1 = Lượng nước ngưng (kg/h)
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quan lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn
Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu tiên đến nhiệt độ sôi là
3.7.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp
Tổng nhiệt lượng mang vào tháo bằng tổng nhiệt lượng mang ra
QF + QD2+QR = Qy+Qw+Qxq2 +Qng2 (II-198)
QF Nhiệt lượng do hôn hợp đầu mang vào tháp (J/h)
QD2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h)
QR Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)
Qy Nhiệt lượng do hơi mang ra đỉnh tháp (J/h)
Qw Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
Qxq2 Nhiệt lượng do mất mát môi trường xung quanh (J/h)
Qng2 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Ta có: Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào tháp
3.7.2.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:
D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h) r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
𝛾1: hàm nhiệt của hơi đốt ( nhiệt lượng riêng của hơi đốt ) ( J/kg)
C1 Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
3.7.2.2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào:
QR = GR CR tR (J/h) (II-197) Trong đó:
GR: Lượng lỏng hồi lưu tR: Nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu ( ℃ )
GR = P * Rx = 1845.37 * 2.82= 5203.9434 (kg/h) tR=tP = 65.28 ( ℃ )
Nội suy : tR=tP = 65.28 ( ℃ ) suy Cpa = 2760+ 2860−2760
Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu xác định theo công thức :
CR= aP Cpa + (1-aP) Cpn (I-152)
3.7.2.3 Nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp
Qy = P (1+Rth) 𝛾đ (J/h) (II-197) Trong đó:
𝛾đ: Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
𝛾a: Nhiệt lượng riêng của methanol
𝛾n: Nhiệt lượng riêng của nước
𝛾n = rn+ Cn.tP ra, rn : nhiệt hóa hơi của methanol và nước (I -255)
100−60 (65.28-60) &1.964 (kcal/kg) ra = 261.964*4.1868*10 3 96790.875 (J/kg) rn = 579+ 539−579
3.7.2.4 Nhiệt lượng do sản phâm đáy mang ra
Qw = Gw Cw tw (J/h) (II-197) Trong đó:
W : Lượng sản phẩm đáy ( W= 12554.62 kg/h)
Cw : Nhiệt lượng riêng của sản phẩm đáy tw : Nhiệt lượng của sản phẩm đáy tw = 98.152 ℃
Cw= aw Cpa + (1-aw ) Cpn (I-152)
3.7.2.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
Gng2 = Lượng nước ngưng (kg/h)
C2 : Nhiệt dung riêng (J/ kg.độ)
𝜃2 : Nhiệt độ của nước ngưng
3.7.2.6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh :
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp
Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:
QF + QD2+QR = Qy+Qw+Qxq2 +Qng2
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn
Vì quá trình ngưng tụ hoàn toàn nên ta có:
Lượng nước lạnh tiêu tốn:
Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg)
Cn: Nhiệt dung riêng của H2O của nhiệt độ trung bình (J/kg.độ) t1,t2 :; nhiệt độ vào ra của nước làm lạnh ( ℃ ) nhiệt độ đỉnh tháp: tđ= tP = 65.28 ( ℃ )
Ta có: r =rđ = ra aP +rn (1-aP) = 1096790.875 * 0.97+ 2402050.896 *(1-0.97) = 1135948.676 (J/kg)
Chọn nhiệt độ làm lạnh t1= 25( ℃ )
Nhiệt độ của nước không được quá 40-45 ( ℃ ) vì nếu nhiệt độ cao hơn thì các muối dễ bị kết tủa và đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt Chọn nhiệt độ ra của nước làm lạnh là t2E ( ℃ )
Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh:
2 = 35 ( ℃ ) Nhiệt dung riêng của nước khi ở ttb 5( ℃ ) là Cn = 4176.25 (J/kg.độ)
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
Trong đó: Gn2: Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h) t1’, t2’ : nhiệt độ đầu vào và cuối sản phẩm đỉnh ngưng tụ ( ℃ )
Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ ở trạng thái sôi nên nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi đỉnh tháp t1’= 65.28 ℃ , Nhiệt độ ra của sản phầm lấy t2’ % ℃
Cp Nhiệt lượng riêng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)
Tra bảng I.153 (I-171) tại nhiệt độ 45.14 ℃, nội suy ta có :
Cpa = ap Ca + (1-ap) Cn = 0.97*2693.13+(1-0.97) *4178.855'37.702 (J/kg.độ)
Tại 45.14 ℃ nội suy từ bảng I.147 (1-165) ta có:
Cn Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở 25℃
Cn = 1(kcal/kg.độ) = 4186.8( J/kg.độ )
Lượng nước lạnh cần thiết là:
Trở lực tháp chưng luyện
Khi tiến hành chưng cất chân không, nếu trở lực đĩa tăng sẽ làm cho nhiệt độ ở đáy tháp tăng và có kết quả sẽ làm giảm khả năng phân hủy nhiệt, tăng khả năng polyme hóa các chất, tăng khả năng tắc nghẽn tháp Ngoài ra, tăng trở lực của đĩa cũng đòi hỏi phải tăng công suất cần thiết của thiết bị đun sôi hơi đáy tháp cũng như tăng tải trọng cần thiết của tháp Trong trường hợp sư dụng bơm chân không, tăng trở lực của đĩa sẽ làm tăng kích thước cuẩ bơm chân không và năng lượng tiêu hao cũng sẽ tăng lên Vì vậy, trong thực tế luon cần các giải pháp để giảm trở lực của đĩa tới mức thấp nhất
Trở lực của táp được tính dựa vào 3 thanfh phần Đó là:
∆Pk: Trở lực đĩa khô (N/m 2 )
∆Ps: Trở lực do sức căng bề mặt (N/m 2 )
∆Pt: Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng đã gây ra (N/m 2 )
wo: tốc độ hơi đi qua lỗ (m/s)
𝜌y khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m 2 ) wo = wy
𝜀 (m/s) Diện tích tự do tương đối 𝜖=8% =>𝜀 =1.82 Đoạn luyện : wo = wL
0.08 = 19.25 (m/s) Trở lực đĩa khô đoạn luyện:
2 = 165.673(N/m 2 ) Trở lực đĩa khô đoạn chưng:
3.10.2 Trở lực của đĩa đo sức căng bề mặt: Đĩa có đường kính lỗ lớn hơn 1mm (sổ tay tap 2-195)
𝜎: sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa (N/m 2 ) dlỗ Đường kính lỗ (m) Đường kính lỗ của lưới thường trong khoảng 0.8-3mm , nếu không phải hình tròn thì phải lấy đường kính tương đương
𝜎a, 𝜎b : Sức căng bề mặt của methanol và nước
Nội suy: (I-300) Đoạn luyện : txtbL = 77.23℃
D: đường kính lỗ (m) ta chọn d=3mm = 3.10 -3 (m)
Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện là
Trở lực do sức căng bề mặt đoạn chưng là
3.10.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa:
K=0.5 hc: Chiều cao kênh chảy truyền nhô lên trên đĩa (m) hc= 0.03m
Gx: lưu lượng lỏng (kg/h)
Lc: chiều dài cửa chảy tràn (m) Lc=0.5m m: hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn
𝜌x: khối lượng riêng của lỏng (kg/m 3 ) Đoạn luyện : 𝐺𝑥
0.5∗922.43 @.52 (m 3 /m.h) > 5(m 3 /m.h) => m= 10000 Trở lực thủy tĩnh đoạn luyện :
10000) 2 ) 9.8*826.46 = 242.84 (N/m 2 ) Trở lực thủy tĩnh đoạn chưng:
3.10.4 Trở lực của toàn tháp
Tổng trở lực của một tháp đĩa đoạn luyện là
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
Tính toán thân tháp
Thân trụ là bộ phân chủ yếu để tạo thành thiết bị hóa chất Tùy theo điều kiện ứng dụng làm việc mà người ta chọn loại vật liệu, kiểu đặt phương pháp chế tạp Theo điều kiện đầu bài chọn vật liệu là thép không gỉ X18H10T phù hợp cho chưng luyện methanol-nước, thân hình trụ thẳng đứng, được chế tạo bằng trụ hàn vì loại này thường dùng với thiết bị trung bình làm việc áp suất thấp và trung bình
Chiều dày thân tháp hình trụ được tính theo công thức
Dt: Đường kính trong của tháp (m)
P: áp suất trong thiết bị (N/m 2 )
𝜑 : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C: Hằng số ăn mòn, bào mòn, dung sai về chiều dày (m)
[𝜎] : Ứng suất cho phép vật liệu chế tạo (N/m 2 )
4.2 Áp suất trong thiết bị:
Môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng nên hơi áp suất làm việc phải bằng tổng áp suất hơi (Pmt) và á suất thủy tĩnh (Pt) của cột chất lỏng:
Với Hl: Chiều cao cột chất lỏng
𝜌l: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 )
Pl = g 𝜌l Hl = 9.8* 874.45 * 9.8 982.178 (N/m 2 ) Áp suất hơi Pmt = 1at = 9.81*10 4 (N/m 2 )
Hằng số do ăn mòn, bào mòn, dung sai chiều dày C Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai chiều dày được xác định như sau:
C1: bổ sung do ăn mòn, xuất ohats từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị (m)
Thép không gỉ là vật liệu bền 0.05-0.1 mm/năm ) chọn giá trị C1 = 1mm -3 m ( tính theo thời gian làm việc từ 15-20 năm ) (2-365)
C2: Đại lượng bổ sung hao mòn (m) Tháp chưng luyện chỉ chứa lỏng và hơi nên C2= 0
C3 Đại lượng bổ sung cho dung sai chiều dày (m) phụ thuộc vào chiều dày tấm thép Chọn dung sai C3 = 0.8mm = 0.8*10 -3 (XIII-9)
C = C1+C2+C3 = 10 -3 +0+ 0.8*10 -3 = 1.8*10 -3 (m) Ứng suất cho phép của thép trong giới hạn bền cho phép khi kéo và khi chảy được tính theo công thức:
𝜇 : hệ số hiệu chỉnh ( 𝜇 =1) nk, nc : hệ số an toàn theo giới hạn bền , chảy (XIII.3-T II-356)
𝜎𝑘, 𝜎𝑐 : Giới hạn bền khi kéo và chảy (N/m 2 ) ( Bảng XIII.3-T II-356)
Theo bảng XIII 3 (2-357) chọn nb= 2.6 , na = 1.5 Áp suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bề kéo
2.6 *1= 211.538*10 6 (N/m 2 ) Áp suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bề chảy
Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc:
Chọn phương pháp chế tạo theo phương pháp hàn bằng hồ quang điện kiểu hàn giáp mối 2 bên, thành có lỗ nhwung được gia cố hoàn toàn Khi đó hệ số mối hàn được chọn như sau 𝜑 = 𝜑h =0.95 ( II-362)
Chọn ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên: [𝜎] = [𝜎𝑐] = 146.666*10 6 (N/m 2 )
Có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính toán chiều dày
4.3 Chiều dày thân tháp Đoạn luyện D= 1.4
Theo quy chuẩn lấy chiều dày tháp là S= 4mm
Kiểm tra ứng suất theo tháp thử: Áp suất thử tính toán: Po = Pth+ P1 (N/m 2 )
Pth: áp suất thủy lực (N/m 2 )
Theo bảng áp suất thủy lực khi thử (II-358)
Pl: áp suất cột chất lỏng trong tháp (N/m2) Pl = g 𝜌l Hl (N/m 2 )
𝜌1: Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình là :
3 = 84.201℃ Ứng với nhiệt độ trung bình là 84.201℃ nội suy theo bẳng I.2 ( sổ tay hóa công 1 trang 9 )
Po= 0.284*10 6 + 70313.304 = 35433.304=0.354*10 6 (N/m 2 ) Ứng suất theo áp suất thử:
1.2 3.33*10 6 (N/m 2 ) Vậy chọn S= 4mm là phù hợp
4.4 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
Lượng hỗn hợp đầu vào tháo F= 14400 kg/h
Nhiệt độ hôn hợp đầu tF= 89.172 ℃
965.58 => 𝜌 = 922.92 (kg/m 3 ) Lưu lượng thể tích dòng chất lỏng đi vào tháp:
Chọn tốc độ hỗn hợp đầu w= 0.3 (m/s)
Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp:
Theo bảng XIII 32 (T II-434) chiều dài đoạn ống nối l = 130mm
Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu:
4.5 Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp:
Lượng hơi đỉnh tháp gđ= 7049.3134 (kg/h)
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp:
Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là
3600 ∗1.126 = 1.74 (m 3 /h) Chọn tốc độ hơi đỉnh tháp là w= 25 (m/s)
Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp:
Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu:
4.6 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy tháp:
Khối lượng riêng của hơi của methanol và nước:
959.29 => 𝜌 = 953.46 (kg/m 3 ) Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy:
Chọn tốc độ hỗn hợp đầu w= 0.3 (m/s)
Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp:
Theo bảng XIII 32 (T II-434) chiều dài đoạn ống nối l = 120mm
Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy:
4.7 Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu:
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu là : tR= tP = 65.28 ℃
Khối lượng riêng của methanol và nước là:
Nồng độ khối lượng của hơi ngưng tụ hồi lưu là: aR= aP = 97%
Khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là:
980.096 => 𝜌 = 756.028 (kg/m 3 ) Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy:
Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu w= 0.25 (m/s)
Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp:
Theo bảng XIII 32 (T II-434) chiều dài đoạn ống nối l = 120mm
Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy:
4.8 Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu:
Lượng hơi đi vào tháp g1’ = 209.89 kmol/h
M: Khối lượng phân tử của hơi đi vào đĩa đầu trên đoạn chưng là
M= yw * 32+ 18* (1-yw) = 0.0643 *32+ 18*(1-0.0643) = 18.90 kg/kmol g1’= 209.89 *18.90= 3966.96 kg/h= 1.1 kg/s
Tốc độ thực tế : 𝜔tt = 𝑉
4.9 Tính đáy và nắp thiết bị: Đáy và nắp thiết bị là những bộ phân quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo cùng loại với vật liệu của thân tháp, vì tháp làm việc ở áp suất thường và được thân trụ hàn nên ta chọn đáy và nắp thiết bị hình elip có gờ
Chiều dày S được xác định theo công thức:
hb: chiều cao phần lồi của nắp (m) , hb = 0.25*D=0.25* 1.4 = 0.35
K: hệ số không thứ nguyên
d:đường kính lớn nhất ( hay kích thước lớn nhất không phải hình tròn ) của lỗ khong căng cứng
Bỏ qua đại lượng P ở mẫu số trong công thức:
S-C = 0.894*10 -3 < 10 mm do đó ta tăng thêm 2mm so với giá trị C tính ở trên
Kiểm tra ứng suất thành của nắp theo áp suất thủy lực bằng công thức
Chiều dày đáy tháp được xác định theo CT (II-385)
2ℎ𝑏 +C (m) (II-387) Trong đó: Dt = 1.2 m 00mm
S-C = 0.943*10 -3 < 10 mm do đó ta tăng thêm 2mm so với giá trị C tính ở trên
Chọn chiều dày đáy tháp là S= 6mm
Kiểm tra ứng suất thành của đáy thiết bị theo áp suất thủy lực bằng công thức
Vậy chiều dày của đáy tháp S=6mm
Mặt bích là bộ phân quan trọng dùng để nối các phần thiết bị cũng như các bộ phân khác với thiết bị
Có nhiều kiểu bích khác nhau, nhwung do tháp làm việc ở áp suất thường nên ta chọn kiểu mặt bích bằng thép loại 1 để nối đáy, nắp thân
Bích nối thân tháp là vật liệu: X18H10T
Các thông số bích nối (II-421) Để có thể chịu được những sai sót trong hoạt động của thiết bị khi có những trục trặc trong quá trình thực hiện, áp suất thiết kế sẽ lấy cao hơn áp suất làm việc bình thường từ 5-10% (4_474) Ta chọn áp suất thiết kế cao hơn 10% so với áp suất làm việc tính toán
Py.10^6(N/m 2 ) Dtr D Db D1 Do db h Z
Khoảng cách giữa hai mặt nối bich là: L 00mm (Tra bảng XI.5_ 2-170)
Số đĩa giữa 2 mặt nối bích nđ= 5 đĩa, mà số đĩa thực tế là 23 đĩa, chiều cao của tháp là 10.6m Nên số bước bích là:= 𝑁𝑡𝑡
Số bích cần dung trên thân tháp là: nb= (5+1).2 bich (hay 6 cặp bích)
4.10.1 Chọn bích để nối các ống dẫn thiết bị
Dùng mặt bích bằng kim loại đen để nối các ống dẫn thiết bị
Tên các ống Dy Dn D Dδ Dl db h Z
Hồi lưu đỉnh 100 108 205 170 148 M16 14 4 Ống dẫn liệu 150 159 260 225 202 M16 16 8
Thông thường ta không đặt trực tiếp thiết bị lên mà phải có tai treo hay chân đỡ Muốn xác định được giá đỡ và tai trai cần phải xác định được khối lượng toàn thiết bị
4.11.1 Tính khối lượng toàn bộ thân tháp Để tính toán khối lượng toàn thiết bị người ta tính toán khối lượng khi cho nước đầy tháp, và khối lượng của tháp khi không có nước
G= GT+Gn-đ+GB +GĐ +GL (kg)
- GT: Khối lượng thân tháp hình trụ(kg)
- Gn-đ Khối lượng nắp và đáy tháp (kg)
- GB Khối lượng bích (kg)
- GĐ Khối lượng đĩa lỗ trong tháp (kg)
- GL Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp(kg)
4.11.1.1 Khối lượng của đáy và nắp
Với Dd= 1200 mm, s=6mm ,h %m => Gđ y kg
Với Dn 00mm, s=6mm, h%m => Gn 6 kg
4.11.1.2 Khối lượng của thân tháp:
Chiều dày thân tháp S=4mm,
𝜌th: khối lượng riêng của vật liệu
4[(1.4+4*10 -3 ) 2 -1.4 2 ]5.1* 7900 = 354.92 kg Khối lượng đoạn chưng:
4.11.1.3 Khối lượng cột chất lỏng trong tháp:
𝜌xtbC = 922.43 (kg/m 3 ), 𝜌xtbL = 826.46 (kg/m 3 ) (phần tính dkinh)
Khối lượng một bích loại Dt = 1400mm
4 (1.54 2 -1.413 2 )*32.10 -3 * 7900 = 74.46 (kg) Khối lượng một bích loại Dt = 1200mm
4 (1.34 2 -1.213 2 )*28.10 -3 * 7900 = 56.32 (kg) Khối lượng mặt bích loại Dy= 300 mm
4 (0.435 2 -0.3 2 )*22.10 -3 * 7900 = 13.54 (kg) Khối lượng mặt bích loại Dy= 125 mm
4 (0.235 2 -0.125 2 )*14.10 -3 * 7900 = 3.44 (kg) Khối lượng mặt bích loại Dy= 100 mm
4 (0.205 2 -0.1 2 )*14.10 -3 * 7900 = 2.78 (kg) Khối lượng mặt bích loại Dy= 150 mm
4.11.1.5 Khối lượng của các đĩa: (khi chưa đục lỗ)
Số đĩa đoạn chưng: n => GD= 36.48*12 = 321.65 kg
Số đĩa đoạn luyện: n => GD= 36.48*11 = 401.28 kg
Khối lượng của các đĩa: 321.65+401.28 = 722.93kg
Chọn 4 tai treo bằng thép CT3, tải trọng trên tai treo là: 4,0.10 4 (N)
Các thông số của tai treo (kiểu VIII) (Sổ tay II-438)
Tải trọng cho phép trên 1 tai treo
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 -6 (N/m2)
Tấm lót tai treo bằng thép: bảng XIII.22 (Sổ tay -439)
Chiều dày tối thiểu của
Chiều dày tối thiểu của
(N) thành thiết bị khi không có lót thành thiết bị khi có lót
Chọn chân đỡ thép: bảng XIII.35 (Sổ tay -437)
Tải trọng cho phép trên
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 -6 (N/m2)
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Để dun nóng hỗn hợp đầu mehanol- nước với năng suất F = 14400kg/h
Giả thiết dung dịch đầu có nhiệt độ đầu là 25 ℃ Đun đến tF = 89.172℃ để đun nóng hỗn hợp đầu ta dùng thiết bị gia nhiệt ống chùm loaijd dứng, dùng hơi nước bão hòa P= 5at , khi đó nhiệt độ hơi nước bão hòa là tbh= 151.1 ℃ (I-
Ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chum thẳng đứng với các thông số:
- Chiều cao ống truyền nhiệt ho= 1.5(m)
- Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn= 25mm
- Chiều dày thành ống truyền nhiệt là 2mm
- Đường kính trong của ống truyền nhiệt: dt= 21mm
- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu 𝛾P(W/m.độ) (2-313)
5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi
5.1.1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình
Trong thiết bị ta có hai lưu thẻ đi người chiều, khi đó hiệu suất trung bình của dung dịch được xác định theo công thức:
Trong đó: ∆t1, ∆t2 : hiệu số nhiệt độ lớn và nhỏ của hai chất tải nhiệt (℃) + Nhiệt độ vào của dung dịch là td= 25℃
+ Nhiệt độ ra của dung dịch là tc= tF = 89.172℃
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp đầu trong thiết bị gia nhiệt
5.1.1.2 Tính lượng nhiệt trao đổi
Lượng nhiệt để đun sôi hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi tF= 89.172℃ được xác định
Q= GFChh (tF- tf ) (J/h) Trong đó:
+ Q là nhiệt lượng cần thiết đun sôi hỗn hợp (J/s)
+ GF: 14400 kg/h lượng hỗn hợp đầu
+ Chh: nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ)
Chh = aF Ca +(1-aF) Cn [1-152]
Ca, Cn : nhiệt dung riêng của methanol, nước (J/kg.độ) , ttb= 60.86 ℃
Nội suy theo bảng I-153 và I-154 (sổ tay I-171) ta có:
Chh = aF Ca +(1-aF) Cn = 0.14 * 2764.3 +(1-0.14) * 4190 = 3990.402 J/kg.độ Q= GFChh (tF- tf ) = 14400*3990.402*(89.172-25) = 3687437911 J/h
Lượng hơi đốt tiêu tốn: Gn (kg/h)
Thep phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Q= GFChh (tF- tf ) = Gn Cn tn tn 1.1, Cn hơi nước = 0.546 kcal/kg.độ (I-166)
5.1.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần
Cấp nhiệt bằng hơi cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi (tường trái) q1= ∝1 ∆t1 (W/m2) Trong đó:
+ ∝1 : hệ số nhiệt của hỗn hợp hơi đốt (W/m 2 độ)
+ ∆t1 : hiệu số nhiệt độ của hơi đốt vào thành ống tiếp xúc với hơi đốt (℃ )
Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi (tường trái) sang thành ống tiếp xúc với lỏng(tường phải) ( dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ông )
Lượng nhiệt quá trình này : qT = 1
+ ∑𝑟 : tổng nhiệt trở của thành ống (m2.độ/W)
+ ∆tT = tT1- tT2: Hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống (℃ )
+ tT1, tT2 : nhiệt độ hai phía thành ống
Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với pha lỏng cho hỗn hợp lỏng: q2= ∝2 ∆t2
+ ∝2 : hệ số cấp nhiệt từ thành ống ( W/m 2 độ )
+ ∆t2 = tT2- ttb : là hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống phía tiếp xúc với hỗn hợp lỏng
Do đó, hệ số truyền nhiệt K sẽ được xác định theo công thức
𝛾+ r2 : là tổng nhiệt trở của thành ống(m 2 độ/W)
+ r1 ,r2: là nhiệt trở cặn bẩn ở 2 phía thành ống ( m 2 độ/W )
+ 𝛾P(W/m.độ)là hệ số dẫn nhiệt của thành ống
5.1.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt ∝2 a) Tính hệ số Re, xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống
+ W: tốc độ dòng chảy lỏng tự chảy trong ống
Ta chọn tốc độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ tự chảy w=0.3m/s
+ L: kích thước hình học l=dtd
+ 𝜇hh : độ nhớt hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttb= 60.86℃ trong thiết bị truyền nhiệt
Nội suy theo bảng I.101 (sổ tay I-91) ta có
Lg 𝜇hh =xF Lg 𝜇a +(1-xF) 𝜇n
+ 𝜌 : Khối lượng riêng của hỗn hợp ở ttb= 60.86(℃ )
𝜌𝑥1, 𝜌𝑥2 : Khối lượng riêng của methanol ( 756-736) và nước(983-972) ở nhiệt độ ttb= 60.86 ℃
Nội suy theo bảng I.2 ( sổ tay I-9) ta có
982.527 => 𝜌𝑥 = 942.78(kg/m 3 ) + l=dtd: đường kính tương đương của ống truyền nhiệt chọn kích thước của ống truyền nhiệt là 25*2mm
Trong đó 25 là đường kính của ống và 2 là bề dày của ống
Vậy đường kính của ống là dtd= 25-2*2= 21mm = 0.021m
Chế độ của chất lỏng trong ống truyền nhiệt là chế độ chảy xoáy b) Tính chuẩn số Pran
Chuẩn số Pr được xác định theo công thức
+ Cp, 𝜇 đã tính được ở trên
+ 𝛾: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, xác định theo công thức I.32 ( sổ tay I.123)
+ M: khối lượng mol trung bình hỗn hợp lỏng
A: hệ sô phụ thuộc vào mức độ liên két của chất lỏng:
Với chất lỏng liên kết có A= 3.58*10 -8 (sổ tay I-123)
0.493 = 3.65 c) Tính chuẩn số Nuyxen, hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch
Mà chế độ chất lỏng là chế độ chảy xoáy nên:
𝑃𝑟𝑡 ) 0.25 ( sổ tay II-14) Trong đó:
𝜀1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số chiều dài và đường kính d của ống
Theo bảng V.2 ( sổ tay II-15) 1/d> 50 => 𝜀1 =1
𝑃𝑟𝑡 Thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt ( đun nóng hay làm nguội)
Prt : chuẩn số Prant của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống
Khi cheeh lệch giữa tường và dòng nhỏ thì 𝑃𝑟
Do đó hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp lỏng
5.1.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa
Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (Wh tT1= tbh−∆t1 = 151.1-7 = 147.6℃ tm= 0.5.( tT1 +tbh ) = 0.5 ( 147.6+151.1) = 149.35℃
Nội suy theo bảng (II-30) ( 140-194; 160-197)
4 = 8444.89 (W/m2.độ) Vậy lượng nhiệt cung cấp cho 1m 2 thành ống là: q1= ∝1 ∆t1 = 8444.89*7 Y114.23 (W/m 2 )
5.1.2.3 Tính tổng trở lực thành ống
Chọn bề dày thành ống truyền nhiệt 𝛿 =2mm ( I-343)
𝛾 : hệ số dẫn nhiệt ở thành ống , 𝛾 = 50 (W/m2.độ ), đối với vật liêu CT3 theo bảng XII.7 (II-313) rT1, rT2 : nhiệt trở lớp cặn do hơi nước tạo thành ở 2 phía thành ống
Với nước có cặn bẩn : 1 rT1 = 1 rT2 = 2000 (kcal/m3.h.độ) (I-346)
5.1.2.4 tính hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống
Nhiệt lượng dẫn qua một m 2 thành ống : qo= ∆tT 1
Do quá trình truyền nhiệt là ổn định nên: qo= q1 Y114.23 (W/m2)
Lại có : ∆tT = tT1 –tT2 , tT1 = 147.6℃
Với t2: là nhiệt độ hỗn hợp đầu đun nóng trong ống :
5.1.2.5 Tính nhiệt lượng do thành ống cung cấp cho dung dịch q2= ∝2 ∆𝑡2 = 1699.386 *33.42 V791.73 W/m2
Q1 sấp sỉ Q2 => lượng nhiệt trung bình truyền cho 1m2 thành ống q= 𝑞1+𝑞2
5.1.2.6 Xác định hệ số truyền nhiệt K
5.1.3 Xác định bề mặt của ống truyền nhiệt
Trong đó: Q: lương nhiệt trao đổi được tính ở phần hiệu số trung bình của 2 lưu thể
5.1.4 Xác định ống truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt n= 𝐹
Chọn tổng số ống: n 7 ống
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 15
Số ống trên một cạnh của 6 cạnh ngoài cùng là: 8
J, tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Trong đó: t: bước ống t =1.2d = 1.2* 0.025= 0.03m đường kính ngoài của ống (m)
5.1.5 Tính lại vận tốc, chia ngăn:
Tính vận tốc thực của chất lỏng đi trong ống
𝜌: khối lượng riêng hỗn hợp đầu tính ở t1d (kg/m3)
Số ngăn của thiết bị là : 0.3
Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau:
BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ
Ho : chiều cao tính từ mặt thoáng của bể chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m)
H1 : chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m)
H2 : 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 (m)
Trong quá trình sản xuất muốn tính toán đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị, đảm bảo yêu cầu công nghệ cần phải tính toán các trở lực của các đường ống dẫn lieuj của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính chiều cao của thùng cao vị so với vị trí tiếp liệu của tháp và xác định công suất, áp suất toàn phần của bơm
∆P = ∆Pd+∆Pm+∆PH+∆Pt+∆Pk+∆PC ( sổ tay I-376)
∆Pd : Áp suất động học hay áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khi ra khỏi ống dẫn
∆Pm : áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng ổn định trong ống thẳng
∆PH : áp suất cần thiết đẻ nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh
∆Pt : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị
∆Pk áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn
∆PC : áp suát cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
5.2.1.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến tháp Tính áp suất động học
Trong đó: + 𝜌: khối lượng riêng của dung dịch vào ở 25 o C, kg/m 3
Từ bảng I.2 (I – 9), nội suy tại nhiệt độ 25 o C ta có 𝜌 𝑥 𝑡𝑏1 = 787,5 kg/m 3
Từ bảng I.5 (I – 11,12) tra tại nhiệt độ 25 o C ta có 𝜌 𝑥 𝑡𝑏2 = 996.5 kg/m 3
𝜔 : tốc độ trung bình của dung dịch đi trong ống dẫn liệu: 𝜔 = 4𝑉
𝜋𝜌𝑑 2 d:đường kính ống dẫn liệu: chọn d0mm , l=3m
- Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát ( ∆P m ) ΔPm = λ 𝐿
Chọn ống có : d = 0.05m, chiều dài ống dẫn L =3m
𝜇 với 𝜇 là độ nhớt của dung dịch hỗn hợp đầu tại nhiệt độ 25 o C + Nội suy từ bảng I.101 (I – 91) tại nhiệt độ 25 o C ta có μrượu = 0.45.10 -3 N.s/m 2 + Tra từ bảng I.102 (I – 94,95) tại nhiệt độ 25 o C ta có μnước = 0.9005.10 -3
- Tính chuẩn số Re giới hạn
Tra bảng II.15 (I – 381) với loại ống dẫn hơi nước bão hòa và nước nóng với điều kiện ít rò ( hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64 (I
- Tính Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ΔP c : Trên đường ống có 1 van chắn tiêu chuẩn và 1 lưu lượng kế
Tra bảng II.16 (I – 382) phần N o 45 với d = 50 mm ta có ξ1 = 0,5
Trở lực của 2 khuỷu 90 độ, do 3 khuyry mỗi khuỷu 30 độ tao thành
Trở lực van : chọn van tiêu chuẩn với đường kính ống dẫn liệu d= 150mm Tra theo bảng II-16 ( sổ tay I-397) có ξ3 = 4.4
Vậy hệ số trở lực cục bộ là ξ= ξ1 + ξ2 + ξ3 = 0.5+ 2.0.3 + 4.4 = 5.5
Chiều cao cột chất lỏng tương đương là:
5.2.1.2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Áp suất động học: ΔPđ = 𝜌.𝜔
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp đầu trong thiết bị gia nhiệt
𝜌 : Khối lượng riêng của hỗn hợp ở ttb= 60.86(℃ )
𝜌𝑥1, 𝜌𝑥2 : Khối lượng riêng của methanol ( 756-736) và nước(983-972) ở nhiệt độ ttb= 60.86 ℃
Nội suy theo bảng I.2 ( sổ tay I-9) ta có
𝜇hh = 0.451.10 -3 Ns/m 2 ω: vận tốc dòng lỏng trong ống truyền nhiệt, chọn ω = 0,7 m/s
- Áp suất để khắc phục trở lực ma sát ΔPm: ΔPm = λ 𝐿
Với dtd = d = 0.21 , chiều dài ống dẫn L = 3m
0.451.10−3 = 307974.8>10 4 => chảy xoáy TÍnh chuẩn số Re giới hạn:
Tra bảng II.15 (I – 381) với loại ống dẫn hơi nước bão hòa và nước nóng với điều kiện ít rò ( ta có 𝑑 𝑡𝑑 ε = 21
8 = 220 (105) 9 8 = 41329.55 (II.62, I – 379) Nhận thấy Regh < Re < Ren => hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64 (I
5.2.1.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ΔP c : ΔPc = ξ.ΔPđ
Dcv: đường kính thùng cao vị chọn dcv = 1.5m
Tra bảng II.16 (sổ tay I.388) ta được ξ1= 0.5
- Trở lực của 2 khuỷu 90độ, do 3 khuỷu mỗi khuỷu 30 độ tạo thành
- Trở lực van: chọn van tiêu chuẩn đường kính ống dẫn liệu d= 150m
- Tra bảng II.16 (sổ tay I.388) ta được ξ3= 4.4
Trở lực từ ống vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (đột mở)
0.25 ) 2 = 0.36 d1, d3: là đường kính ống dẫn và đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Tra bảng II.16 (sổ tay I.388) ta được ξ4= 0.356
Vậy hệ số trở lực cục bộ: ξ= ξ1+ ξ2+ ξ3+ ξ4 = 0.5+2*0.3+4.4+0.356 = 5.856
Chiều cao cột chất lỏng tương đương là:
5.2.1.4 Trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
+ 𝜌: khối lượng riêng của dung dịch vào ở tf = 89.172 o C, kg/m 3
+ ω: vận tốc dòng lỏng trong ống Chọn ống có d = 50 mm và chiều dài L 3m => ω = 𝐺 đ
- Áp suất để khắc phục trở lực ma sát ΔP m : ΔP m = λ 𝐋
𝜇 với 𝜇 là độ nhớt của dung dịch hỗn hợp đầu tại nhiệt độ 89.172 o C
+ Nội suy từ bảng I.101 (I – 91) tại nhiệt độ 89.172 o C ta có μrượu = 0.228 10 -3 Ns/m 2
+ Tra từ bảng I.102 (I – 94,95) tại nhiệt độ 89.172 o C ta có μnước = 0.324 10 -3 Ns/m 2 Độ nhớt hôn hợp được tính theo công thức
Lg 𝜇hh =xF Lg 𝜇a +(1-xF) 𝜇n
Tra bảng II.15 (I – 381) với loại ống dẫn hơi nước bão hòa và nước nóng với điều kiện ít rò ( hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64 (I
- Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ΔP c :
Trên đường ống có 1 khuỷa ghép 90 o do 2 khuỷa 45 o tạo thành, chọn độ dài đoạn chéo a = 30 mm
Tra bảng II.16 (I – 382) phần N o 29 với d = 50 mm, a = 30 mm => a/d = 0,6 ta có ξ = 0,6
Chiều cao cột chất lỏng tương đương là:
5.2.2 Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu
Theo phương trình Bernoulli cho mặt cắt 1-1 và 2-2 Coi chất lỏng chảy hết từ thùng cao vị (mắt cắt 1-1)
Z: chiều cao tính từ địa tiếp liệu đến mặt thoáng của thùng cao vị (m)
𝜌1: khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở thùng cao vị ( tf = 25℃)
𝜌2: Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ( tF= 89.172℃)
P1: áp suất mặt thoáng thùng cao vị, P1= Pa = 1at = 9.81*10 4 (N/m 2 )
P2: áp suất ở cửa vào tháp chưng luyện (N/m 2 ) w1: vận tốc chất lỏng ở mặt thoáng thùng cao vị w1= 0m/s w2: vận tốc chất lỏng pử cửa vào của tháp chưng w2 = 0.7 m/s hmin: thế năng riêng tổn thất (m) Áp suất ở cửa vào tháp chưng luyện là:
Thế năng riêng tổn thất là:
Chiều cao thùng cao vị so với vị trí đĩa tiếp liệu là:
Trong đó: Hđc: chiều cao đoạn chưng: Hdc = 5.5 m hđáy= h + hb
Với h, hb: lần lượt là chiều cao gờ, chiều cao phần lồi
Chiều cao gờ h% mm, hb= 0.35 (Chương 3_ Cơ khí nắp)
_ Chiều cao toàn phần của bơm là
5.2.3 Tính toán các thông số của bơm li tâm
* Công suất toàn phần của bơm là: N = 𝑄.𝜌.𝑔.𝐻
1000.𝜂, kW (I – 439) Trong đó: Q: năng suất của bơm, m 3 /s
64 ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3 g: gia tốc trọng trường, m/s 2
H: áp suất toàn phần của bơm, m η: hiệu suất chung của bơm η = ηo ηtl ηck
Ta chọn: hiệu suất thể tích ηo = 0,96 hiệu suất thủy lực ηtl = 0,85 hiệu suất cơ khí ηck = 0,96
=> Công suất toàn phần của bơm là: N = 𝐹.𝑔.𝐻
* Công suất động cơ điện: Nđc = 𝑁
𝜂 𝑡𝑟 𝜂 đ𝑐 , kW (I – 439) Trong đó: 𝜂 𝑡𝑟 : hiệu số truyền động, lấy 𝜂 𝑡𝑟 = 0,9
𝜂 đ𝑐 : hiệu số động cơ điện, lấy 𝜂 đ𝑐 = 0,9
0,9.0,9 = 0,557 kW Trong thực tế phải chọn động cơ điện có công suất lớn hơn tính toán:
Dựa vào bảng II.33 ( I – 439) ta có 𝜂 đ𝑐 < 1 thì hệ số dự trữ β = 1.5-2
Vậy ta chọn bơm có công suất là 0,9469 kW
Tính toán thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp
Để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh và để tránh hiện tượng khô đĩa trên cùng ta sử dụng thiết bị ngưng tụ hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh hồi lưu trở lại tháp
Lượng hơi ra khỏi tháp:
Ngưng tụ hơi đỉnh tháp gồm 0.97 ( phần khối lượng methanol và 0.018 phần khối lượng H2O ở nhiệt độ tp = 65.28 ℃ Để ngưng tụ hơi ta dùng thiết bị ngưng tụ laoij ống chufmg kiểu nằm ngang chế tạo từ thép CT3 có vỏ bọc lớp cách nheietj bên ngoài và sử dụng nước làm tác nhân lạnh Giả thiết nhiệt độ đầu của nước là 25℃ , nhiệt độ cuối của nước chọn là 45℃ , dể tránh hiện tượng muối kết tủa và đóng cặn trên bề mặt ống truyền nhiệt tại thiết bị ngưng tụ hồi lưu xảy ra quá trình trao đổi nhiệt ở đây đúng bằng nhiệt lượng cần cung cấp để hóa hơi lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thằng đứng với các thoong số
+ đường kính ngoài ống TĐN dn % mm
Chiều dày thành ống = 2mm
Đườg kính trong của ống TĐN dt !mm
Hệ số dẫn nhiệt: 𝛾 PW/mđộ
5.3.1 Tính lượng nhiệt trao đổi
5.3.1.1 Xác định động lực quá trình truyền nhiệt
Nhiệt độ đầu vào của nước là tđ% ℃
Nhiệt độ cuối của nước tcE℃
Nhiệt độ ngưng tụ tp= 65.28℃
Hiệu suất trung bình nhiệt độ giữa 2 lưu thể là: Δttb = ∆𝑡 1 − ∆𝑡 2
Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống là: ttb = 𝑡𝑑+𝑡𝑐
2 = 35℃ Trong phần cân bằng nhiệt lượng 3.4.3 đã xác định được
+Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi sản phẩm đỉnh: rnt = 1135948.676 (J/kg)
+ Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình là t= 35℃ là
+ Lượng nước lạnh cần tiêu tốn nếu ngưng tụ hoàn toàn hơi ở đỉnh:
5.3.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần
Cấp nhiệt bằng hơi cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi (tường trái) q1= ∝1 ∆t1 (W/m2)
+ ∝1 : hệ số nhiệt của hỗn hợp hơi đốt (W/m 2 độ)
+ ∆t1 : hiệu số nhiệt độ của hơi đốt vào thành ống tiếp xúc với hơi đốt (℃ ) với hơi
Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi (tường trái) sang thành ống tiếp xúc với nước( tường phải) ( dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ông )
Lượng nhiệt quá trình này : qT = 1
+ ∑𝑟 : tổng nhiệt trở của thành ống (m2.độ/W)
+ ∆tT = tT1- tT2: Hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống (℃ )
+ tT1, tT2 : nhiệt độ hai phía thành ống
Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với vòi nước (tường phải) cho nước: q2= ∝2 ∆t2
+ ∝2 : hệ số cấp nhiệt từ thành ống ( W/m 2 độ )
+ ∆t2 = tT2- ttb : là hiệu số nhiệt độ của nước và thành ống phía tiếp xúc với nước
Do đó, hệ số truyền nhiệt K sẽ được xác định theo công thức
𝛾+ r2 : là tổng nhiệt trở của thành ống(m 2 độ/W)
+ r1 ,r2: là nhiệt trở cặn bẩn ở 2 phía thành ống ( m 2 độ/W )
+ 𝛾P(W/m.độ)là hệ số dẫn nhiệt của thành ống
5.3.2.1 xác định hệ số cấp nhiệt 𝛂2 a, Tính chuẩn số Re , xác định chế độ chảy xoáy của nước
+ 𝜔: là tốc độ của nước, giả sử nước chảy xoáy 𝜔 = 1𝑚/𝑠
+ l=dtd là kích thước hình học, đường kính ống truyền nhiệt
+ 𝜌 là khối lượng riêng của nước (kg/m 3 )
+ 𝜇 là(N.s/m 2 ) là độ nhợt động lực của nước ở nhiệt độ ttb = 35℃ Ở nhiệt độ ttb= 35℃ tra bảng I.5(1-12) có 𝜌 = 994.06 (kg/m 3 ), bảng I.102 có 𝜇= 0.7225.10 -3 (N.s/m 2 )
Chọn ống truyền nhiệt kích thước 25*2(mm) đường kính ngoài 25mm, dày 2mm nên đường kính trong của ống là: dt= 25-2.2!(mm) Ống dạng tròn nên đường kính tương đương dtd= dt!mm
Chuẩn số Pr được xác định theo công thức
+ Cp: là nhiệt dung riêng đẳng áp của nước tại ttb5℃ Cp A76.25 (J/kg.độ) + 𝜇= 0.7225.10 -3 (N.s/m 2 ): độ nhớt động lực của nước ở ttb5℃
+ 𝛾: hệ số dẫn nhiệt của nước(W/m.độ) ở nhiệt độ ttb5℃.tra bảng I.129( 1-133) có hệ số dẫn nhiệt của nước là
0.626 = 4.82 c,Tính chuẩn số Nuyxen , xác định hệ số cấp nhiệt ∝ 2
Chuẩn số Nuyxen được xác định theo công thức:
+ ∝2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m 2 độ)
+ l=dtd= 0.021m là kích thước hình học
+ 𝛾=0.626(W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của nước
Mà chế độ chất lỏng là chế độ chảy xoáy nên:
𝑃𝑟𝑡 ) 0.25 ( sổ tay II-14) Trong đó:
+𝜀1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số chiều dài và đường kính d của ống
Theo bảng V.2 ( sổ tay II-15) 1/d> 50 => 𝜀1 =1
𝑃𝑟𝑡 Thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội)
+Prt : chuẩn số Prant của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống
Khi cheeh lệch giữa tường và dòng nhỏ thì 𝑃𝑟
Do đó hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp lỏng
5.3.2.2 Xác định tổng trở nhiệt của thành ống ∑𝐫= r1+ 𝛅
Giả thiết lớp cặn bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt (bên tường phía tiếp xúc với nước lạnh) có bề dày khoảng 0.5 mm và có nhiệt trở trung bình
Lớp cặn bẩn phía tiếp xúc nước lạnh r1= 0,464.10 -3 m 2 độ/W (tra bảng V.I (II –
Bên phía hơi sản phẩm đỉnh nên gần như không có cặn r2= 0(m 2 độ/W)
Do đó tổng trở lực thành ống:
Chọn bề dày thành ống truyền nhiệt 𝛿 =2mm ( I-343)
𝛾 : hệ số dẫn nhiệt ở thành ống , 𝛾 = 50 (W/m2.độ ), đối với vật liêu CT3 theo bảng XII.7 (II-313)
5.3.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi sản phẩm đỉnh ∝1
Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (Wh nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ là: t T 1 = tbh - Δtl = 65.28 – 6.4 = 58.88 o C
Nhiệt độ của màng nước ngưng tụ là: tm = 0,5.(58.88 + 65.28) = 62.08 o C
Với tm = 62.08 o C nội suy trong (II – 29) ta được A = 156.45
Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là: α1 = 2,04 156.45.√1135948.676
* Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.Δtl = 5919.39*6,4 = 37884.15 W/m 2
* Hiệu số nhiệt độ ở hai bên bề mặt thành ống: ΔTt = tT1 – tT2 = q1.Σr = 37884.15 *5.04*10 -4 09℃ tT2 = 62.08 -19.09 B.98℃
Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch: Δt2 = tT2 – ttb B.98– 35 = 7.98 o C q2= ∝2 ∆𝑡2 E59.53 *7.98 = 36414.17 W/m 2
Q1 sấp sỉ Q2 => lượng nhiệt trung bình truyền cho 1m2 thành ống q= 𝑞1+𝑞2
5.3.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt K
5.3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt
5.3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt
Số ống của thiết bị được xác định theo công thức n= 𝐹
+F = 61.9 m 2 là tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
+f= 𝜋dtb.h0 là diện tích bề mặt 1 ống truyền nhiệt (m2)
+ ho =1.5m là chiều cao ống truyền nhiệt
2 = 23 mm = 0.023mm là đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt
3.14𝑥0.023𝑥1.5 = 571.4 ống Chọn sắp xếp kiểu theo hình 6 cạnh Quy chuẩn theo bảng số liệu V.II(2-48)
Tổng số ống của thiết bị là: n= 613 ống
Số hình 6 cạnh là 13 ống
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là b= 27 ống
Số ống trên 1 cạnh của hình 6 cạnh a= 0.5(b+1) = 14 ống
5.3.5 Đường kính trong của thiết bị Đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức D= t.(b-1) +4d Trong đó:
D=dn%mm là đường kính của ống truyền nhiệt
T là bước ống thường t=1.2-1.5d chọn t =1.2d= 30mm
Vậy thiết bị ngưng tụ có các thông số sau: