đồ án thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp chloroform tetrachloromethane sử dụng tháp mâm chóp

DANH MỤC HÌNH ẢNHHình 1.1: Mô hình tháp chưng cất mâm chóp...20 Hình 1.2: Giản đồ pha cân bằng lỏng – hơi của hệ Chloroform – Tetrachloromethane...22 Hình 1.3: Giản đồ tỷ lệ lỏng – hơi c

TỔNG QUAN

LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau) bằng cách lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm

Trong hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử, ta thu được 2 sản phẩm : Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi thấp) sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi cao) Đối với hệ chloroform – tetrachloromethane Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm chloroform và một ít tetrachloromethane Sản phẩm đáy chủ yếu là tetrachloromethane và một ít chloroform.

Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

- Chưng cất đơn giản : Được sử dụng trong các trường hợp sau: khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao, tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi, tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

- Chưng cất phân đoạn: Dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ sôi không nhiều của các chất trong hỗn hợp Sự phân tách các cấu tử trải qua nhiều lần bay hơi ngưng tụ theo nhiệt độ của từng tỉ lệ thành phần của các cấu tử trong hỗn hợp

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước Ưu điểm của phương pháp này là hạ được nhiệt độ sôi của chất ( do sử dụng hơi nước) và sản phẩm ít bị biến tính.

- Chưng cất lôi cuốn theo hơi nước: Dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơ khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Hơi quá nhiệt sẽ đi trực tiếp vào trong nguyên liệu và lôi cuốn tinh dầu trong nguyên liệu đi theo. Phương pháp chưng cất này cần nồi hơi riêng hoặc bộ phận hóa hơi riêng nên tốn kém chi phí.

Pha lỏng đi từ trên xuống theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy chuyền (tùy thuộc vào loại đĩa) có nồng độ cấu tử dễ ngưng tụ tăng dần Pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa có nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần Trên mỗi đĩa sẽ xảy ra các quá trình truyền nhiệt và truyền khối: Pha lỏng đi từ trên xuống trao đổi nhiệt với pha hơi đi từ dưới lên Cấu tử dễ bay hơi di chuyển từ pha lỏng sang pha hơi đi lên trên Cấu tử dễ ngưng tụ di chuyển từ pha hơi sang pha lỏng chảy xuống dưới Quá trình bay hơi, ngưng tụ lặp lại nhiều lần. Sản phẩm đỉnh thu được từ cấu tử dễ bay hơi với độ tinh khiết nhất có thể và tương tự ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi tinh khiết nhất có thể Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.

1.4 Các loại thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu chung cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được sử dụng trong công nghiệp lọc dầu

Kích thước, đường kính và chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha hơi đi vào trong tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Trong công nghiệp hóa chất nói chung người ta sử dụng hai loại tháp chưng cất là tháp mâm và tháp đệm (tháp chêm).

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau trên bề mặt mâm và tại đây xảy ra quá trình truyền khối, tùy theo cấu tạo của mâm ta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí các chóp dạng tròn, xupap

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp đệm (tháp chêm): thân hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm được cho vào tháp bằng một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay được sắp xếp một cách thứ tự, vật đệm có cấu tạo đa dạng: đệm vòng rasiga, đệm hình yên ngựa, đệm vòng sứ

Ta so sánh ưu và nhược điểm của ba loại tháp vừa nêu trên:

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các thiết bị chưng cất

Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Tháp đệm Ưu điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có d ≈ d của chất lỏng

- Trở lực tương tối thấp

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp

- Hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Thiết bị khá nặng nề

Nhận xét: Ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ chloroform – tetrachloromethane vì tháp mâm chóp thích hợp cho thiết bị hoạt động dài lâu và độ ổn định cao.

Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, bên trong có gắn các mâm mà trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Chất lỏng đi vào tháp ở đỉnh hoặc tại một mâm nào đó thích hợp và chảy xuống nhờ trong lực qua mỗi mâm bằng ống chảy chuyền. Pha hơi đi từ dưới lên qua mỗi mâm bằng cách đi qua các chóp được gắn trên mâm.

Hình 1.1: Mô hình tháp chưng cất mâm chóp

GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

Chloroform, hay còn gọi là tricloromethan và methyl trichcloride, và một hợp chất hoá học thuộc nhóm trihalomethan có công thức CHCl3 Nó không cháy trong không khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn Người ta sử dụng chloroform làm chất phản ứng và dung môi Chloroform còn là một chất độc với môi trường.

- Khối lượng phân tử: 119,5 g/mol

- Độ hòa tan trong nước: 8 g/L nước ở 20 o C

Tetrachloromethane hay tetraclorua cacbon là một hợp chất hóa học có công thức hóa học CCl4 Người ta sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứng trong tổng hợp hữu cơ. Trước đây nó còn làm chất dập lửa và làm chất làm lạnh Đây là một chất lỏng không màu có mùi "thơm" Khối lượng phân tử: 154 g/mol

- Độ hòa tan trong nước: 800 mg/L nước ở 25 o C

Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Chloroform - Tetrachloromethane ở 760 mmHg (% mol) được trình bày dưới bảng sau:

Bảng 1.2: Thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp x (% mol) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y (% mol) 0,0 13,5 26,5 39,5 52,0 63,5 72,5 81,0 88,5 95,0 100,0 t ( o C) 76,8 74,7 72,6 70,6 68,6 66,9 65,3 63,9 62,6 61,5 60,8

Thành phần cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, %

Thành phần cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi, %

Hình 1.2: Giản đồ pha cân bằng lỏng – hơi của hệ Chloroform- Tetrachloromethane

Hình 1.3: Giản đồ tỷ lệ lỏng – hơi của hệ Chlorofom – Tetrachloromethane theo nhiệt độ

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp Chloroform - Tetrachloromethane có nồng độ Chloroform là 12% (theo khối lượng), nhiệt độ ban đầu tại bồn chứa nguyên liệu khoảng 30℃ được bơm lên bồn cao được bơm lên bồn cao vị Hỗn hợp từ bồn cao vị được dẫn tới thiết bị gia nhiệt để đun sôi dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi Trước khi vào tháp chưng cất, lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát bằng lưu lượng kế Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất tại vị trí mâm nhập liệu (mâm số 20) và bắt đầu quá trình chưng cất.

Trên mâm nhập liệu, hỗn hợp lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp, chất lỏng chảy từ trên xuống gặp hơi từ dưới đi lên Tại đây hai pha có sự tiếp xúc và trao đổi với nhau Nhiệt độ càng xuống dưới càng tăng dẫn đến nồng độ cấu tử dễ bay hơi của pha lỏng chuyển động trong phần chưng giảm Ngược lại, càng lên cao nhiệt độ càng thấp nên khi hơi từ dưới lên đi qua các đĩa thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn là Tetrachloromethane sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp chứa 81,5% (theo khối lượng) là cấu tử Chloroform Hơi được dẫn vào thiết bị ngưng tụ và ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh để làm nguội hỗn hợp đến 40℃ được bơm lên bồn cao rồi đưa tới bồn chứa sản phẩm đỉnh Phần chất lỏng còn lại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu và được kiểm soát bằng lưu lượng kế Ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng chứa hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Tetrachloromethane) có nồng độ là 97% theo khối lượng Sản phẩm sau khi ra khỏi đáy tháp được đưa vào nồi đun Từ nồi đun một phần hỗn hợp lỏng sẽ bốc hơi cung cấp lại cho đáy tháp để tiếp tục quá trình chưng cất, phần lỏng còn lại được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy để làm nguội hỗn hợp lỏng tới 40℃ được bơm lên bồn cao rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

THÔNG SỐ BAN ĐẦU

Tháp là tháp mâm chóp.

Khi chưng luyện hỗn hợp Chloroform- Tetrachloromethane thì cấu tử dễ bay hơi là Chloroform.

Hỗn hợp: { Chloroform CH Cl 3 → M Chloroform 9,5( g mol), t sC a,2℃ Tetrachloromethane C Cl 4 → M Tetrachloromethane 4( g mol),t sT v,72℃

Năng suất nhập liệu: GF = 3800 (kg/h)

Nồng độ nhập liệu (tính theo chloroform): x F = 0,12 phân khối lượng

Nồng độ sản phẩm đỉnh (chloroform): x D = 0,815 phân khối lượng

Nồng độ sản phẩm đáy (chloroform): x W = 0,03 phân khối lượng

 F: suất lượng nhập liệu (kmol/h)

 xF: phần mol nhập liệu (mol chloroform/mol hỗn hợp)

 D: suất lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

 xD: phần mol đỉnh (mol Chloroform/mol hỗn hợp)

 W: suất lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

 xW: phần mol đáy (mol Chloroform /mol hỗn hợp)

 x F : Phân khối lượng chloroform trong dòng nhập liệu.

 x D : Phân khối lượng chloroform trong sản phẩm đỉnh.

 x W : Phân khối lượng chloroform trong sản phẩm đáy.

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội:

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 Đổi nồng độ phân khối lượng sang nồng độ phân mol

Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm nhập liệu: xF = x F

= 0,1495 phân mol Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm đỉnh: xD = x D

= 0,8502 phân mol Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm đáy: xW = x W

2.2 Tính phân tử lượng trung bình

Phân tử lượng trung bình của nhập liệu:

MF= xF.MC + (1 - xF).MT= 0,1495.119,5 + (1 - 0,1495).154= 148,8434 (kg/kmol) Phân tử lượng trung bình của sản phẩm đỉnh:

MD= xD.MC + (1 - xD).MT= 0,8502.119,5 + (1 - 0,8502).154= 124,6668 (kg/kmol) Phân tử lượng trung bình của sản phẩm đáy:

MW= xW.MC + (1 - xW).MT= 0,0383.119,5 + (1 - 0,0383).154= 152,6776 (kg/kmol)

M F = 3800 148,8434%,5302 (kmol/h) Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh:

0,815−0,03C5,6688¿)Suất lượng sản phẩm đỉnh:

124,6668=3,4947(kmol h ) Suất lượng dòng sản phẩm đáy:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: G F =G D +¿ G W

Suất lượng sản phẩm đáy:

Bảng 3.1 Thông số các dòng

Nồng độ x Nồng độ Năng suất nguyên liệu Phân tử lượng trung bình Mtb

(% khối lượng) (% mol) (kg/h) (kmol/h) (kg/kmol)

2.4.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực.

Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm ) là tối thiểu.

Phương pháp xác định: Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi

Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng cất:

(công thức IX.24trang158,tài liệu tham khảo[3])

Trong đó: y F ¿ là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng xF của hỗn hợp ban đầu.

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi ta có xF = 0,1853 mol/mol

 yF * = 0,1996 (mol chloroform/mol hỗn hợp)

2.4.2 Tỷ số hoàn lưu tối ưu

Tỷ số hoàn lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hoàn lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với sự tăng của chỉ số hoàn lưu Nếu giảm tỷ số hoàn lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy, cần xác định giá trị thích hợp của tỷ số hoàn lưu.

Thông thường tỷ số hoàn lưu tối ưu bằng 1,2 – 1,5 R min Để tính gần đúng ta lấy tỷ số hoàn lưu thích hợp theo công thức:

R = 1,3 R min +0,3 (công thức IX.25b trang 259, tài liệu tham khảo [3])

2.4.3 Phương trình làm việc và xác định số mâm

2.4.3.1 Phương trình làm việc phần cất y= R

R+1 (công thức IX.20 trang 144, tài liệu tham khảo [3])

2.4.3.2 Phương trình làm việc phần chưng y=R+L

(công thức IX.22 trang 158, tài liệu tham khảo [3])

Hình 3.1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng cất Tetrachloromethane – Chloroform tại P = 1atm

2.4.3.3 Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế

Từ đồ thị, ta xác định được số mâm lý thuyết là 22 mâm.

Trong đó bao gồm 11 mâm chưng, 11 mâm cất, mâm nhập liệu là mâm số 11

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Nt = Nlt/tb (công thức IX.59 trang 170, tài liệu tham khảo [3])

Trong đó: Ntt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, tb – hiệu suất trung bình của thiết bị

Trong trường hợp này ta tính: tb = n D +n F +n W

Với n D n F n W - lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất ở đĩa dưới cùng

Xác định 𝜂i: Ta xác định ηi dựa vào IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3]):

Hình 3.2 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μhh, ta tra đồ thị sau để tìm ηi:

Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo (công thức I.12 trang 84, tài liệu tham khảo [2]): log μhh= xD.log μC + (1 - xD).logμT (*)

 μℎℎ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng

 μT: độ nhớt của Tetrachloromethane Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = 1− y y 1− x x (Với x: Phân mol của rượu trong pha lỏng, y*: Phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng).

Tại vị trí nhập liệu ta có: xF = 0,1495 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: yF = 0,2113 → tF = 76,76 o C(nội suy) αF = 1− yF yF × 1− xF xF = 1−0,2112 0,2113 1−0,1495 0,1494 = 1,5234

(xF Độ nhớt Chloroform100%) + (1-xF) Độ nhớt của Tetrachloromethane

Tra bảng I.101 trang 91, tài liệu tham khảo [2] tại xF = 0,1495 → tF = 76,76 0 C Độ nhớt của Chloroform: àC = 0,3397 (cP). Độ nhớt của Tetrachloromethane: àT = 0,4911 (cP). Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (công thức I.12 trang 84, tài liệu tham khảo [2]: log (àF) = xF.logàC + (1 - xF).logàT = 0,1495.log(0,3397) + (1 – 0,1495).log (0,4911)

→àF = 0,4647 (cP) Suy ra:α F.àF = 1,5234.0,4647 = 0,7079

Tra đồ thị hình IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3], ta có ŋF = 54,60%

Tại vị trí mâm đáy: xW = 0,0383 ta tra đồ thị Hình 1.3 yW = 0,0615 αW = 1− yW yW × 1− xW xW = 1−0,0615 0,0615 × 1−0,0383 0,0383 = 1,6454

Tra bảng I.101 trang 91, tài liệu tham khảo [2] tại xW = 0,0383 → tW = 76,79 0 C Độ nhớt của Chloroform: à C = 0,3396 (cP) Độ nhớt của Tetrachloromethane: àT = 0,4909 (cP). Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (công thức I.12 trang 84, tài liệu tham khảo [2]: logàW = xW.logàC + (1 - xW).logàT = 0,0383.log (0,3396) + (1- 0,0383).log (0,4909)

Tra đồ thị IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3], → ŋW = 50,19%.

Tại vị trí mâm đỉnh: xD = 0,8502 ta tra đồ thị Hình 1.3 yD = 0,8547 αD = 1− yD yD × 1− xD xD = 1−0,8547 0,8547 × 1−0.8502 0.8502 = 1,0364

Tra bảng I.101 trang 91, tài liệu tham khảo [2] tại xD = 0,9608 → tD = 76,62 0 C Độ nhớt của Chloroform: àC = 0,3401 (cP) Độ nhớt của Tetrachloromethane: àT = 0,4919 (cP). Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (công thức I.12 trang 84, tài liệu tham khảo [2]: logàD = xD.logàC+ (1 - xD).logàT = 0,8502.log (0,3401) + (1 - 0,8502).log(0,4919)

Tra đồ thị IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3] → ŋD = 62,75%

Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số về độ nhớt, hiệu suất và nhiệt độ

Mâm nhập liệu (F) Mâm đáy (W) Mâm đỉnh (D) Độ nhớt (à) 0,4647 (cP) 0,4840 (cP) 0,3594 (cP)

Dựa vào hình 3.2 suy ra hiệu suất trung bình của tháp: ŋtb ŋF+ŋW+ŋD

Số mâm thực tế tháp chưng cất: Ntt = ⴄ Nlt tb = 55,85 % 22 = 39,39 mâm, lấy tròn 40 mâm. Trong đó:

Nchưng tt= Nchưng< ŋtb ¿ = 55,85 % 11 ¿ = 19,69 mâm, lấy tròn 20 mâm

Ncất tt= Ncất < ŋtb ¿ = 55,85 % 11 ¿ = 19,69 mâm, lấy tròn 20 mâm.

Vậy: Số mâm thực tế là 40 mâm trong đó có 20 mâm chưng, 20 mâm cất, mâm nhập liệu thuộc mâm số 20.

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

3.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

- Q nt : nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng (kJ/h)

Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

- r D :ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh

- D: suất lượng sản phẩm đỉnh

3.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi:

QF = CF.GF.(tF – t0) (kJ/h)

- QF: nhiệt lượng gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi (kJ/h)

Chọn nhiệt độ ban đầu của dòng nhập liệu là: tF ’ = 30 o C

Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: ttbF = t F

2 S,38 o C Với ttbF = 53,38 o C, tra bảng I.153 – I.154 trang 171,172, tài liệu tham khảo [2], ta được:

- Nhiệt dung riêng của Chloroform: CC = 1071,077 (J/(kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của Tetrachloromethane: CT = 912,077 (J/(kg.độ)

 CF = CC x´ F + CT (1− ´ x F )= ¿1071,077.0,12 + 912,077.(1 – 0,12) = 931,157 (J/(kg.độ) Vậy: QF = CF.GF.(tF – t0) = 931,157.3800.(76,77 – 30).10 -3 = 165486,277 (kJ/h)

3.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

QW = CW.GW.(tW – tW ra) (kJ/h)

- QW: nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (kJ/h)

Chọn nhiệt độ ban đầu của dòng nhập liệu là: tW ra = 40 o C

Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: ttbW = t W ra +t W

2 X,40 o C Với ttbW = 58,40 o C, tra bảng I.153 – I.154 trang 171,172, tài liệu tham khảo [2], ta được:

 CW = CC x´ W + CT (1− ´ x W )=¿1078,594.0,03 + 919,594.(1 – 0,03) = 924,364 (J/(kg.độ)

Vậy: QW = CW.GW.(tW – tW ra) = 924,364.3364,331.(76,79 – 40).10 -3 = 114418,163 (kJ/h)

3.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:

QD = CD.GD.(tD – tD ra) (kJ/h)

- QD: nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (kJ/h)

Chọn nhiệt độ ban đầu của dòng nhập liệu là: tD ra = 40 o C

Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: ttbD = t D ra +t D

2 X,31 o C Với ttbD = 58,31 o C, tra bảng I.153 – I.154 trang 171,172, tài liệu tham khảo [2], ta được:

 CD = CC x´ D + CT (1− ´ x D )= ¿1078,467.0,815 + 919,467.(1 – 0,815) = 1049,052 (J/(kg.độ)

Vậy: QD = CD.GD.(tD – tD ra) = 1049,052.435,669.(76,62 – 40).10 -3 = 16737,767 (kJ/h)

3.5 Cân bằng nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp:

QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm

Với Qm : nhiệt lượng tổn thất Chọn Qm khoảng 5% nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp

 QF + Qđ = QW + QD + Qnt + 0,05.Qđ

3.6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÂN THÁP CHƯNG CẤT

(công thức IX.89, IX.90 trang 181, tài liệu tham khảo [3]) Trong đó:

V tb : lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m 3 /h) ω tb : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m 3 /h) g tb : lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (Kg/h)

( ρ y ω y ¿ ¿ tb : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (Kg/m 2 s)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính lượng hơi trung bình riêng cho từng đoạn.

1.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất

(i) Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất: g tb =g d +g 1

(công thức IX.91 trang 181, tài liệu tham khảo [3]) Trong đó: g d : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) g 1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của chưng (kg/h)

M tbD =M C x D +M T (1− x D )=¿ 119,5.0,8502 + 154.(1 – 0,8502) = 124,67 (kg/kmol) gD = GD.(R + 1) = D M tbD (R+1)=¿ 3,4947.124,67.(17,1818 + 1) = 7921,243 (kg/h) 63,54 (kmol/h)

(công thức IX.92 trang 181, tài liệu tham khảo [3])

Ta có hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

(công thức IX.93, IX.94, IX.95 trang 182, tài liệu tham khảo [3])

G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (kmol/h) r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (kcal/kg) rd : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (kcal/kg)

Với t1 = tF = 76,7553 o C , tra bảng I.212 trang 254 và I.213 trang 254, tài liệu tham khảo

[2] và nội suy giá trị ẩn nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ tF = 76,7553 o C , ta có:

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Chloroform: rC = 57,5 (kcal/kg) = 28768,55 (kJ/kmol)

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Tetrachloromethane: rT = 46,6 (kcal/kg) = 30046,15 (kJ/kmol) Suy ra: r1 = rC.y1 + (1 – y1) rT

Với tD = 76,62 o C , tra bảng I.212 trang 254 và I.213 trang 254, tài liệu tham khảo [2] và nội suy giá trị ẩn nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ tD = 76,62 o C , ta có:

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Chloroform: rC = 57,48 (kcal/kg) = 28758,54 (kJ/kmol)

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Tetrachloromethane: rT = 46,58 (kcal/kg) = 30033,26

(kJ/kmol) xD = 0,8502 tra theo đường cân bằng yD = 0,8547

Suy ra: r D =y D r CHCl 3 +(1− y D ) r CCl 4 ¿0,8547.28758,54+(1−0,8547).30033,26(943,75( kmol kJ )

Khối lượng mol trung bình pha lỏng:

Thay g d , g 1 vào ta được: g tb =g d +g 1

(ii) Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất:

Tính số tốc độ hơi đi trong tháp và khối lượng riêng trung bình ở đoạn cất theo công thức:

(công thức IX.1105 trang 184, tài liệu tham khảo [3]) Trong đó: ρ xtb :khốilượng riêngtrung bình của pha lỏng ( kg m 3 ) ρ ytb :khối lượngriêng trung bìnhcủa pha hơi ( m kg 3 ) h: khoảng cách mâm (m) Chọn h = 0,3 ứng với 0,6 Nên chọn bề dày đáy và nắp bằng thên thiết bị.

Vậy: Bề dày đáy và nắp thiết bị: S = S n =S t =4¿mm)

Chiều cao đáy, nắp: h đ =h n =h t +h=¿ 325 + 50 = 375 (mm)

Kiểm tra bề dày của đáy và nắp: Điều kiện (6-10) trang 126, tài liệu tham khảo [2]

Kiểm tra áp suất cho phép trong:

Theo công thức (5-11) trang 97, tài liệu tham khảo [4], ta có:

Vậy bề dày thực của thân tháp chưng cất S = 4 (mm)

1.6 Bích ghép thân và đáy nắp

1.6.1 Bích và đệm để nối và bích kín thiết bị

Mối ghép bích được dùng để nối để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.

 Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3 và cấu tạo của bích là bích liền kiểu 1 theo hình trang 417, tài liệu tham khảo [2].

Với D t 00 (mm) và áp suất tính toán P = 0,212 (N/mm 2 ) => Chọn bích có các thông số sau theo bảng XIII.27 trang 421, tài liệu tham khảo [3].

D t :đường kínhtrong thiết bị , mm

D: đường kính ngoài của mặt bích, mm

D b :đường kínhvòng bu lông , mm

D l :đường kính vòng ngoài đến đệm ,mm

D 0 :đường kính đến vòng trong đệm, mm d b :đường kínhbu lông, mm

H: chiều dày mặt bích, mm

Bảng 4.1 Mối ghép giữa thân và đáy (nắp) thiết bị

Thân và đáy (nắp) thiết bị

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 mm mm mm cái mm

Tra bảng XIII-31 – Tương ứng với bảng XIII-27 trang 433, tài liệu tham khảo [2], ta có kích thước bề mặt bích đệm bít kín:

Do D t 00 (mm) nên D 3=D 2 +254+256(mm) và D 5=D 4 −230−228 (mm)

1.6.2 Mặt bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn

Mặt bích ở đây được dùng để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn Chọn bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn theo (trang 409, tài liệu tham khảo [3]).

Hình 4.2: Hình minh hoạ bích ghép thân

1.6.2.1 Đường kính ống dẫn dòng sản phẩm đỉnh: Ống dẫn hơi từ đỉnh tháp đến thiết bị ngưng tụ

Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp: g D =¿ 7921,243 (kg/h) = 63,54 (kmol/h)

Khối lượng riêng của pha hơi ở đỉnh tháp (Ở t D v,62 o C và y D =0,8547¿ ρ HD = [ y D 119,5+ ( 1− y D ) 154 ] 273

22,4.(76,62+273) = 4,34 (kg/m 3 ) Chọn vận tốc hơi đi qua ống (bảng II.2 trang 370, tài liệu tham khảo [2])

Chọn v HD ¿m/s) Đường kính trong ống nối:

Chọn D y 0(mm) Tra bảng XIII.32 trang 434, tài liệu tham khảo [3], chọn chiều dài đoạn ống nối l = 130 (mm)

1.6.2.2 Đường kính ống dẫn dòng nhập liệu: Ống dẫn lượng nhập liệu vào thân tháp tại mâm nhập liệu

Nhiệt độ của chất lỏng nhập liệu là t F v,76 o C

Tra bảng I.2 trang 9, tài liệu tham khảo [2], tại nhiệt độ này ta được:

Khối lượng riêng của Chloroform: ρ C 85,02 (kg/m 3 )

Khối lượng riêng của Tetrachloromethane: ρ T 78,45 (kg/m 3 )

=> ρ F = 1466,58 (kg/m 3 )Chọn loại ống cắm sâu vào thiết bị

Tra bảng II.2 trang 370, tài liệu tham khảo [2], chọn vận tốc chất lỏng tự chảy trong ống nối (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): v F = 0,2 (m/s)

Với: G F 800 Đường kính trong ống nối:

Chọn D y p(mm) Tra bảng XIII.32 trang 434, tài liệu tham khảo [3], chọn chiều dài đoạn ống nối l = 110 (mm)

1.6.2.3 Đường kính ống dẫn dòng sản phẩm đáy: Ống dẫn lượng nhập liệu vào thân tháp tại mâm nhập liệu

Nhiệt độ của chất lỏng nhập liệu là t W v,79 o C

=> ρ W = 1475,39 (kg/m 3 ) Chọn loại ống cắm sâu vào thiết bị

Tra bảng II.2 trang 370, tài liệu tham khảo [2], chọn vận tốc chất lỏng tự chảy trong ống nối (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): v W = 0,5 (m/s)

Với: G W 364,33 Đường kính trong ống nối:

Chọn D y @(mm) Tra bảng XIII.32 trang 434, tài liệu tham khảo [3], chọn chiều dài đoạn ống nối l = 100 (mm)

1.6.2.4 Đường kính ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp:

Lưu lượng hơi đi vào đáy tháp: g 1 '

Nhiệt độ của sản phẩm đáy: t W v,79 o C

Khối lượng riêng của pha hơi ở đỉnh tháp (Ở t W v,79 o C và y W ¿ =0,052¿ ρ HW = [ y W ¿ 119,5+ ( 1− y W ¿ ) 154 ] 273

22,4.(76,79+273) = 5,30 (kg/m 3 ) Chọn vận tốc hơi đi qua ống (bảng II.2 trang 370, tài liệu tham khảo [2])

Chọn v HW %¿m/s) Đường kính trong ống nối:

Chọn D y (mm) Tra bảng XIII.32 trang 434, tài liệu tham khảo [3], chọn chiều dài đoạn ống nối l = 110 (mm)

1.6.2.5 Ống dẫn dòng hoàn lưu:

Nhiệt độ của dòng hoàn lưu: t HL =t D v,62 o C

=> ρ HL = 1401,64 (kg/m 3 )Chọn loại ống cắm sâu vào thiết bị

Tra bảng II.2 trang 370, tài liệu tham khảo [2], chọn vận tốc chất lỏng tự chảy trong ống nối (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): v HL = 0,4 (m/s)

Với: G HL t85,66 (kg/h) Đường kính trong ống nối:

Chọn D y p(mm) Tra bảng XIII.32 trang 434, tài liệu tham khảo [3], chọn chiều dài đoạn ống nối l = 110 (mm)

1.6.3 Bích để nối các ống dẫn

Chọn vật liệu là thép X18H10T, chọn kiểu 1

Hình 4.3: Hình minh hoạ bích nối các ống dẫn

Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.26 trang 409, tài liệu tham khảo [3]

Do P y =0,21(N/mm 2 ) chọn P y gần nhất là0,25(N/mm 2 )

Bảng 4.2 Kích thước các bích nối các ống dẫn

Các bộ phận thiết bị và ống dẫn

P y D y Ống Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 mm mm cái mm

Hơi từ nồi đun vào đáy 0,25 80 89 185 150 128 M16 4 14 110

1.6.4.1 Tính sơ bộ khối lượng toàn tháp:

Giả sử đường ống dẫn vào nắp và đáy gần như nhau nên khối lượng nắp bằng khối lượng đáy Với nắp và đáy hình elip có D t 00(mm), chiều dày S = 4 (mm) và ρX18H10T = 7900

Khối lượng mâm: Đường kính trong của tháp: D t 00(mm)

Bề dày mâm: δm = 3 (mm). Đường kính ống hơi dh = 0,075 (m).

Số ống chảy chuyền trên mỗi mâm z = 1

Số mâm thực tế Ntt = 40 mâm

Khối lượng riêng thép X18H10T có ρ = 7900 kg/m 3

Tiết diện cắt ngang của tháp: F = 1,327 (m 2 )

Diện tích ống chảy chuyền: Sd = π d c 2

Khối lượng chóp trên toàn tháp: mchóp = Ntt.n.( π dch.hch + π d h 2

Khối lượng thân tháp: mthân = π Dt.Hthân.S.ρ = π 1,3.14.0,003.7900 = 1354,41 (kg)

Khối lượng ống hơi: mống hơi = π dh.hống hơi.δống hơi.n.Ntt.ρ = π 0,075.0,04.0,003.30.40.7900 = 268,302 (kg)

Khối lượng gờ chảy tràn: mct = Lw.hw.δw.ρ.Ntt = 0,92.1000 41 1000 3 7900.40 = 35,758 (kg)

Khối lượng ống chảy chuyền: mốngcc = (Hmâm – S1) π Nt.dc.δc.ρ = (0,3 – 0,0044) π 40.0,088.0,003.7900 = 77,844 (kg)

Khối lượng bích nối thân:

Với Dt = 1300 (mm), Hđ = 300 (mm) Theo bảng IX.5 trang 170, tài liệu tham khảo [3]:

Ta có số đĩa giữa 2 mặt bích: nd = 6

Tổng số mặt bích là: Nb = Ntt/nd +1 = 40/6 + 1 = 7,667 (bích)

Ta chọn 8 bích ghép thân tức là 16 mặt bích.

Với vật liệu thép TC3 có: ρTC3 = 7850 (kg/m 3 )

Khối lượng bích nối các ống dẫn:

Mb = π 4 ∑ ( D i 2 − D 2 yi ) h i ρ Với i là thứ tự trên xuống trong bảng.

Khối lượng dung dịch trung bình trong tháp: (tính trong 1 giờ hoạt động liên tục của tháp)

Vậy tổng khối lượng của toàn tháp:

Mtháp = mđáy và nắp + mmâm + mchóp + mthân + mống hơi + mct + mốngcc + Mbích + Mb + Mdd 2.41,922 + 1126,07 + 585,66 + 1354,41 + 268,302 + 35,729 + 77,84 + 4877,43 + 129,644 + 6430,83 = 14969,8 (kg)

Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên 4 chân

Hình 4.4: Hình minh hoạ chân đỡ thiết bị đặt thẳng đứng

Chọn loại vật liệu là thép CT3

Tải trọng cho phép trên một chân đỡ:

4 =¿ 36713,321 (N) Để đảm bảo an toàn cho thiết bị ta chọn: Gc = 4.10 4 (N)

Tra bảng XIII.35 trang 437, tài liệu tham khảo [3], chọn chân đỡ có các thông số sau:

Bảng 4.3 Kích thước chân đỡ tháp

Tính khối lượng gần đúng của một chân đỡ:

Thể tích của một chân đỡ:

Khối lượng một chân đỡ:

V1 chân đỡ = V1 chân đỡ.ρ = 0,00489.7850 = 38,363 (kg)

Chọn 4 tai treo: Tai treo được gắn trên thân tháp và tựa vào giàn đỡ để giữ tháp vững trong quá trình làm việc.

Hình 4.5: Hình minh hoạ tai treo thiết bị đặt thẳng đứng

Chọn vật liệu làm tai treo là: thép CT3

Tải trọng một tai treo chọn bằng với tải trọng trên một chân đỡ: Gc = 4.10 4 (N)

Tra bảng XIII.36 tran 438, tài liệu tham khảo [3], chọn tai treo có các thông số sau:

Bảng 4.4 Kích thước tai treo tháp

Trong quá trình hoạt động của tháp, do tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh ngày càng lớn Để tháp hoạt động ổn định đúng với các thông số đã thiết kế ta phải tăng dần lượng hơi đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội Khi đó chi phí cho hơi đốt sẽ tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí hơi đốt ,ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp Chọn vật liệu cho thân tháp là amiăng có bề dày là δa.

Tra bảng 28 trang 416, tài liệu tham khảo [5], hệ số dẫn nhiệt của amiăng là: λa = 0,151 (w/m.K)

Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh:

Nhiệt tải mất mát riêng: qm = Qm f tb

- t v 1:Nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài của tháp

- t v 2: Nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí

- êvt: Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt của lớp cỏch nhiệt, để an toàn ta lấy êvt = tw - tkk

Chọn tkk = 35 o C Vậy êtv = êtmax = 76,79 – 35 = 41,79 o C ftb = π D tb H=π D t +D n

Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng:

TÍNH THIẾT BỊ PHỤ

THIẾT BỊ NHIỆT

1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

Chọn thiết bị ngưng tụ là bình ngưng ống chùm, đặt nằm ngang

Bình ngưng ống chùm nằm ngang là thiết bị ngưng tụ được sử dụng phổ biến cho các hệ thống máy và thiết bị lạnh hiện nay. Ưu điểm:

+ Hiệu quả giải nhiệt cao, mật độ dòng nhiệt khá lớn, hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.

+ Dễ dàng thay đổi tốc độ dòng nước trong bình để có tốc độ thích hợp nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, bằng cách tăng số pass tuần hoàn nước.

+ Cấu tạo chắc chắn, gọn và rất tiện lợi trong việc lắp đặt trong nhà, có suất liệu hao kim loại nhỏ, hình dạng đẹp phù hợp với thẩm mỹ công nghiệp.

+ Dễ chế tạo, lắp đặt, về sinh, bảo dưỡng và vận hành.

+ Ít hư hỏng, tuổi thọ cao: do thường xuyên chứa nước nên bề mặt trao đổi nhiệt hầu như luôn luôn ngập trong nước mà không tiếp xúc với không khí, vì vậy, tốc độ ăn mòn diễn ra chậm hơn nhiều. Ống truyền nhiệt được làm bằng X18H10T, kích thước ống là 25x2, chiều dài ống là 2m

- Đường kính ngoài: dn = 25 (mm) = 0,025 (m)

Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào t1 = 30 o C và nhiệt độ ra t2 = 45 o C

2 =¿ 37,5 o C Dựa vào ttbN = 37,5, tra cứu các thông số sau ở tài liêu tham khảo [2], ta được:

- Khối lượng riêng của nước: ρN = 992,750 (kg/m 3 ) (trang 9, bảng I.2)

- Độ nhớt của nước: μN = 0,692.10 -3 (N.s/m 2 ) (trang 92, bảng I.101)

- Hệ số dẫn nhiệt: λN = 0,630 (W/(m.độ) (trang 133, bảng I.129)

- Nhiệt dung riêng: CN = 4,176 (kJ/(kg.độ) (trang 172, bảng I.153)

- Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ tD = 76,62 o C

- tD = 76,62 o C: nhiệt độ dòng hơi sản phẩm đỉnh

- tk = 76,62 o C: nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh khi ngưng tụ

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống, đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống là 38x2, chiều dài ống là

- Đường kính ngoài: dng = 38 (mm) = 0,038 (m)

1.1.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng:

Lượng nước cần dùng (Công thức 5.307 trang 169, tài liệu tham khảo [4])

1.1.2 Hiệu số trung bình logarit:

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (Công thức V.8 trang 3, tài liệu tham khảo [3])

( W mm 2 K ¿ (Công thức V.5 trang 3, tài liệu tham khảo [3]) Trong đó:

- α N : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh ( W m 2 K¿

- α nt : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ ( W m 2 K¿

- ∑ r t :nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn

Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống α N

Chọn vận tốc nước đi trong ống:

Tra bảng II.2 trang 370, tài liệu tham khảo [2], với vận tốc chất lỏng tự chảy chọn vận tốc nước đi trong ống vN = 0,5 (m/s)

Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào t1 = 30 o C và nhiệt độ ra t2 = 45 o C

- Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ tD = 76,62 o C

Số ống trong một đường nước: n = G N 4 ρ N π d tr 2 v N =¿ 8,156.4

992,750 π 0,034 2 0,5=¿ 18,098 (ống) Tra bảng V.11 trang 48, tài liệu tham khảo [3]: Chọn n = 19 (ống)

Vận tốc thực tế của nước trong ống: vN = G N 4 ρ N π d tr 2 n= 8,156.4

Chuẩn số Reynolds (đặc trưng cho chế độ chuyển động cưỡng bực của chất tải nhiệt):

Ta thấy: ReN > 1000: cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối

Chuẩn số Nu (đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt và thành thiết bị): (Công thức V.40 trang 14, tài liệu tham khảo [3])

- PrN – chuẩn số Prandlt của nước ở 37,5°C, tra (hình V.12 trang 12, tài liệu tham khảo [3]) ta có: PrN = 5

- PrW – chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách

- ε1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều dài

L và đường kính d của ống khi ReN > 10000 Hệ số ε1 tính đến sự ảnh hưởng của đoạn ống nhiệt ban đầu (trang 176, tài liệu tham khảo [7])

0,034=¿58,824 > 50, vậy: ε1 = 1 (trang 176, tài liệu tham khảo [7])

Suy ra: NuN = 0,021.ε1 ReN 0,8.PrN 0,43.( Pr N

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: (Công thức 2.112 trang 180, tài liệu tham khảo [7]) α N =Nu N λ N d tr 195,091

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N ( t w 2−t tbN )= 3651,494

Xác định nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn: q t =t w 1 −t w 2

W ): tổng nhiệt trở qua thành và lớp vách cặnTrong đó:

- λ t ,3(W/m.K) (Bảng X.II.7 trang 313, tài liệu tham khảo [3])

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống: Điều kiện:

- Ngưng tụ hơi bão hoà

- Không chứa không khí không ngưng

- Hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống

- Màng chất ngưng tụ chảy rối

- Ống nằm ngang Đối với ống đơn chiếc nằm ngang, ta có hệ số cấp nhiệt ngưng tụ: α nt =0,725.√ 4 μ nt r ( nt t D λ −t nt 3 ρ w 1 ) nt 2 d ng (Công thức 3.65, trang 120, tài liệu tham khảo [5]) Trong đó:

- dng: đường kính ngoài dng = 38 mm = 0,038 m

- tD: là nhiệt độ dòng hơi sản phẩm đỉnh, tD = 76,62 o C

- rnt: ẩn nhiệt ngưng tụ

- tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, °C

- λnt: hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp

- μnt: độ nhớt của hỗn hợp

- ρnt: khối lượng riêng của hỗn hợp Đặt A = 0,725 4 √ r nt μ λ nt d nt 3 ρ ng nt 2

(76,62−t w 1) 0,25 Ẩn nhiệt ngưng tụ: r nt = r D = 55,896 (kcal/kg) = 233,875 (kJ/kg)

(Vì ẩn nhiệt hoá hơi hay ẩn nhiệt ngưng tụ tại nhiệt độ xác định là nhiệt lượng mà cần cung cấp cho cấu tử đó chuyển sang trạng thái hơi hay lỏng mà không làm thay đổi nhiệt độ của nó, quá trình này là quá trình đẳng nhiệt).

Nhiệt tải ngoài thành ống: qnt = α nt ¿tw1) = A.¿tw1) 0,75 (3)

Từ (1), (2) và (3), ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1 và tw2

Nhiệt độ trung bình ttbD = t D + t w 1

2 =¿63,99 o C Với ttbD = 65,69 o C, tra các thông số ở tài liệu [2]

Khối lượng riêng ρ nt (Bảng I.2 trang 9)

- Khối lượng riêng của Chloroform: ρ C = 1404,822 (kg/m 3 )

- Khối lượng riêng của Tetrachloromethane: ρ T = 1507,832 (kg/m 3 )

1507,602 => ρ nt = 1422,80 (kg/m 3 ) Độ nhớt μnt (Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μnt) = xD.log(μC) + (1 – xD).log(μT) = 0,8502.log(0,0003780) + (1 – 0,8502).log(0,0005665) => μnt = 0,0004016 (N.s/m 2 )

Hệ số dẫn nhiệt λnt (Bảng I.130 trang 134)

- Hệ số dẫn nhiệt của Chloroform: λC = 0,1116 (W/m.K)

- Hệ số dẫn nhiệt của Tetrachloromethane: λT = 0,1016 (W/m.K)

Suy ra: A = 0,725 4 √ r nt μ λ nt d nt 3 ρ ng nt 2 =0 , 725 4 √ 233,875.0,1109 3 1422,80 2

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qnt = 20841,403 (W/m 2 )

2 =¿ 48,28 o C Chuẩn số Prandlt ở 48,49 o C là PrW = 3,8 (Hình V.12 trang 12, tài liệu tham khảo [3])

Kiểm tra sai số: ε = | q N −q nt | q nt

3,8 0,25 =¿2615,319 (W/m 2 K) Vậy: hệ số truyền nhiệt là:

1.1.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình:

529,081.38,64=¿24,989 (m 2 ) (Công thức V.1 trang 3, tài liệu tham khảo [3])

Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%):

So với L = 2 (m) thì số đường nước là:

Khi đó số ống tăng lên 7 lần: n = 7.19 = 133 (ống)

Khi đó chiều dài ống truyền nhiệt là:

Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng: n = 3.a.(a – 1) + 1 = 133 => a = 8 (ống)

Số ống trên đường chéo: b = 2a – 1 = 2.8 – 1 = 15 (ống)

Bước ống: t = 1,2.dng = 1,2.0,038 = 0,0456 (m) Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt (Công thức V.140 trang 49, tài liệu tham khảo [3])

Vậy: đường kính bình ngưng tụ sản phẩm đỉnh là 0,79 (m)

Chọn: đường kính bình ngưng tụ sản phẩm đỉnh là 0,8 (m)

1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lòng ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong (ống nhỏ): 16x2

Chọn: Nước làm lạnh đi trong ống 16x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu t1 = 30 o C, nhiệt độ cuối t2 = 45 o C

Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2 (ống ngoài) với nhiệt độ đầu tD = 76,62 o C, nhiệt độ cuối tD ’ = 40 o C

Các tính chất lý học của dòng sản phẩm đỉnh được làm lạnh ứng với nhiệt độ trung bình là: ttbD = t D +t D

2 X,31 o C Tại 58,31 o C, tra cứu các thông số của hỗn hợp ở tài liệu tham khảo [2], ta có:

Khối lượng riêng ρ D (Bảng I.2 trang 9)

1520,294 => ρ D = 1432,77 (kg/m 3 ) Độ nhớt μD (Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μD) = xD.log(μC) + (1 – xD).log(μT) = 0,8502.log(0,00039608) + (1 – 0,8502).log(0,00060013) => μD = 0,00042151 (N.s/m 2 )

Hệ số dẫn nhiệt λD (Bảng I.130 trang 134)

Nhiệt dung riêng (Bảng I.153 trang 171)

- Nhiệt dung riêng của Chloroform: CC = 1078,467 (J/kg.K)

- Nhiệt dung riêng của Tetrachloromethane: CT = 919,467 (J/kg.K)

Nên: CD = CC x´ D +¿ (1 - x ´ D ¿.CT = 1078,467.0,815 + (1 – 0,815).919,467 = 1049,052 (J/kg.K)

1.2.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng:

Lượng nước cần dùng (Công thức 5.307 trang 169, tài liệu tham khảo [4])

1.2.2 Hiệu số trung bình logarit:

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (Công thức trang 169, tài liệu tham khảo [6])

( W mm 2 K ¿ (Công thức V.5 trang 3, tài liệu tham khảo [3]) Trong đó:

- α N : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh ( W m 2 K¿

- α D : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ ( W m 2 K¿

- ∑ r t :nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn

Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh đi trong hai ống (α¿¿D)¿

Vận tốc sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài: vD = G D 4 ρ D π (D¿¿tr 2 −d ng 2 )¿ = 435,669.4

Ta thấy: 2320 < ReN < 1000: cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy chuyển tiếp

Bảng 5.1 Giá trị C phụ thuộc vào Re

Chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình của vách:

Suy ra: NuD = C.ε1.PrD 0,43.( Pr Pr W D 1 ) 0,25 = 32,640.1.3,749 0,43 ( 3,749 Pr W 1 ) 0,25 =¿ 80,171 Pr w 0,25 1

Vậy: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài: α D =Nu D λ D d td 80,171

Nhiệt tải sản phẩm đỉnh chảy trong ống ngoài: q D =α D ( t tbD −t w1 )= 1891,153

Xác định nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn: q t =t w 1 −t w 2

W ): tổng nhiệt trở qua thành và lớp vách cặn Trong đó:

Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ ( α N ¿

C 1,9 2,2 3,3 3,8 4,4 6 10,3 15,5 19,5 27 33 α N =Nu N λ N d tr ¿Công thức 2.112 trang 180, tài liệu tham khảo [7])

Vận tốc của nước đi trong ống nhỏ (ống trong): vN = G N 4 ρ N π d tr 2 = 0,0742.4

992,75.π 0,012 2 =¿0,6611 (m/s) Chuẩn số Reynolds (đặc trưng cho chế độ chảy chuyển động cưỡng bức của chất tải nhiệt):

Ta thấy: ReN > 1000: cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối

- PrN – chuẩn số Prandlt của nước ở 37,5°C, tra (hình V.12 trang 12, tài liệu tham khảo [3]) ta có: PrN = 5

- PrW – chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách

- ε1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều dài

L và đường kính d của ống khi ReN > 10000 Hệ số ε1 tính đến sự ảnh hưởng của đoạn ống nhiệt ban đầu (trang 176, tài liệu tham khảo [7])

Suy ra: NuN = 0,021.ε1 ReN 0,8.PrN 0,43.( Pr N

Vậy: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N =Nu N λ N d tr 110,245

Nhiệt tải của nước trong ống nhỏ (nhiệt tải phía nước làm lạnh): q N =α N ( t w 2−t tbN )= 5846,410

Từ (1), (2) và (3), ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1 và tw2

Với tw1 = 46,15 o C, tra các thông số ở tài liệu [2] Độ nhớt μD ’(Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μD ’) = xD.log(μC) + (1 – xD).log(μT) = 0,8502.log(0,0004414) + (1 – 0,8502).log(0,0006847) => μD ’ = 0,0004714 (N.s/m 2 )

Hệ số dẫn nhiệt λD ’ (Bảng I.130 trang 134)

Nên: CD ’ = CC x´ D +¿ (1 - x ´ D ¿.CT = 1069,225.0,815 + (1 – 0,815).901,225= 1030,81 (J/kg.K)

4,3288 0,25 (58,31−46,15)944,326(W m 2 ) Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qD = 15944,326 (W/m 2 )

2 =¿ 43,80 o CChuẩn số Prandlt ở 41,44 o C là PrW2 = 4,3 (Hình V.12 trang 12, tài liệu tham khảo [3])

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ: α N =Nu N λ N d tr ¿5846,410

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài: α D =Nu D λ D d td ¿1891,153

1.2.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình:

769,391.18,78.3600=¿0,322 (m 2 ) (Công thức V.1 trang 3, tài liệu tham khảo [3])

Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%):

0,012H33,333> 50 (trang 176, tài liệu tham khảo [7])

Suy ra: ε = 1 (Thoả điều kiện)

Vậy: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 58 (m), chia thành 29 dãy, mỗi dãy dài 2 (m).

1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt kiểu ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm băng thép X18H10T với kích thước:

Chọn hơi đốt là hơi nước 2 (at), đi trong ống 140x4 (ống ngoài )

- Đường kính ngoài: Dng = 140 (mm) = 0,14 (m)

- Đường kính trong: Dtr = 132 (mm) = 0,132 (m)

Tra bảng I.251 trang 314, tài liệu tham khảo [2] ta có :

- Nhiệt độ sôi của nước ở 2 (at) là: tsN = 119,6 o C

- Ẩn nhiệt ngưng tụ rhh = 2208 (kJ/kg)

Dòng nhập liệu đi trong ống 100x4 (ống trong), có:

- Đường kính ngoài: dn = 100 (mm) = 0,1 (m)

- Đường kính trong: dtr = 92 (mm) = 0,092 (m).

Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra bảng I.249 trang 310, tài liệu tham khảo

[2], ứng với nhiệt độ trung bình là: ttbF = t f +t F

Tại 53,38 o C, tra cứu các thông số của hỗn hợp ở tài liệu tham khảo [2], ta có:

Khối lượng riêng ρ F (Bảng I.2 trang 9)

1529,900 => ρ F = 1516,35 (kg/m 3 ) Độ nhớt μF (Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μF) = xF.log(μC) + (1 – xF).log(μT) =0,1495.log(0,0004138) + (1 – 0,1495).log(0,0006297) => μF = 0,0005914 (N.s/m 2 )

Hệ số dẫn nhiệt λD (Bảng I.130 trang 134)

Nên: CF = CC x´ F +¿ (1 - x ´ F ¿.CT = 1071,077.0,12 + (1 – 0,12).912,077 = 931,157 (J/kg.K)

1.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng để gia nhiệt dòng nhập liệu:

Ta có: nhiệt lượng cần để gia nhiệt dòng nhập liệu: QF = 165486, 277 (kJ/h)

Lượng nước cần dùng: (Công thức 5.307 trang 169, tài liệu tham khảo [6])

1.3.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit:

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: (Công thức trang 169, tài liệu tham khảo [6])

∆ t tn =( t sN −t F )−(t sN −t f ) ln⁡(t sN −t F t sN −t f )

(Công thức V.5 trang 3, tài liệu tham khảo [3])

Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu đi trong ống nhỏ:

Vận tốc dòng nhập liệu trong ống trong: vF = ¿ G F 4 ρ F π d tr 2 = 3800.4

Chuẩn số Reynolds: (Công thức V.36 trang 13, tài liệu tham khảo [3])

Ta thấy ReF > 10000: cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối.

Chuẩn số Nu (đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt và thành thiết bị):

NuF = 0,021 ε 1 ℜ F 0,8 Pr 0,43 F ( Pr Pr F t ) 0,25 (Công thức V.40 trang 14, tài liệu tham khảo [3])

- PrF: chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 53,38 o C nên:

- Prt: chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình vách.

NuF = 0 , 021 ε 1 ℜ F 0,8 P rF 0,43 ( Pr Pr F t ) 0,25 =0 , 021.1 24701,592 0,8 5,152 0,43 ( 5,152 Pr t ) 0,25 = 209,189 Pr t

Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống trong: α F =Nu F λ F d tr =( 209,189 Pr t 0,25 0,092 0,1069 ) = 243,042 Pr t 0,25

Nhiệt thải phía dòng nhập liệu: q F =α F ( t w 2−t tbF )= 243,042

Pr t 0,25 ( t w 2−53,38) (1) Với tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu ( o C).

Xác định nhiệt trở của ống và lớp cặn: q t =t w 1 −t w 2

W ): tổng nhiệt trở qua thành và lớp vách cặn Trong đó:

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi đốt đi trong ống ngoài ( α N ¿:

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: (Công thức 3.66 trang 120, tài liệu tham khảo [5]) α N =0,725.A ( r N

0,25 Đường kính tương đương: dtđ = Dtr – dng = 0,132 – 0,1 = 0,032 (m)

Nhiệt tải của dòng hơi đốt trong ống ngoài: q N =α N ( t sN −t w 1 ) = 66,077 A

(3) (Công thức 2.112, trang 180, tài liệu tham khảo [7])

Với A: hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý của nước theo nhiệt độ.

Từ (1), (2) và (3), ta dùng phương pháp lặp để xác định t w 1 , t w 2

Khi đó, nhiệt độ trung bình nước là: ttbN = 118,81+119,6

Suy ra: Tại ttbN = 119,205 o C tra (trang 120, tài liệu tham khảo [5]) ta được A = 187,642

Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống ngoài: α N = 66,077.A

Vậy nhiệt tải của dòng hơi đốt trong ống ngoài: qN = 66,077 A

(119,6−t w1) 0,25 (119,6−t w 1 ) = 13151,466 (119,6−118,81) = 10389,658 (W/m 2 K) Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể, suy ra qt = qN = 10389,658 (W/m 2 K)

Nhiệt độ của vách tiếp xúc với nhập liệu (trong ống trong): qt = t w 1 ∑r −t w 2 t

2 6,64 o C Tại t wtb 6,64 o C, Tra các thông số của dòng nhập liệu ở tài liệu tham khảo [2]: Độ nhớt μ’F (Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μ’F) = xF.log(μC) + (1 – xF).log(μT) =0,1495.log(0,0002650) + (1 – 0,1495).log(0,0003338) => μ’F = 0,0003225 (N.s/m 2 )

Hệ số dẫn nhiệt λ’F (Bảng I.130 trang 134)

Ta có chuẩn số Prandlt của nhập liệu tại nhiệt độ vách (V.35 trang 12, tài liệu tham khảo [3])

0,0850 =¿ 3,885 Vậy hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu đi trong ống trong: α F =Nu F λ F d tr $3,042

Nhiệt tải của dòng nhập liệu là: q F =α F ( t w 2−t tbF )3,115 (114,469−53,38)574,662 (W/m 2 K)

10574,662=0,0174 ρ W = 1471,79 (kg/m 3 ) Độ nhớt μW (Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μW) = xW.log(μC) + (1 – xW).log(μT) = 0,0383.log(0,0003349) + (1 – 0,0383).log(0,0004816) => μW = 0,0004749 (N.s/m 2 )

Hệ số dẫn nhiệt λW (Bảng I.130 trang 134)

Nên: CW = CC x´ W +¿ (1 - x ´ W ¿.CT = 1107,645.0,03 + (1 – 0,03).944,051 = 948,959 (J/kg.K) Sức căng bề mặt σ (N/m) (Bảng I.213 trang 256)

- Sức căng bề mặt của Chloroform: σC = 0,0192 (N/m)

- Sức căng bề mặt của Tetrachloromethane: σT = 0,0198 (N/m)

Nhiệt hoá hơi r (J/kg) (Bảng I.213 trang 256)

- Nhiệt hoá hơi của Chloroform: rC = 239938,56 (J/kg)

- Nhiệt hoá hơi của Tetrachloromethane: rT = 194302,44 (J/kg)

Vậy, α W =0,77.10 −2 ( ρ− ρ h r ρ h ) 30 1 ( σ ρ ) 1 3 μ 0,45 λ C 0,75 0,117 q 0,7 T s 0,37 (Tài liệu tham khảo [3] trang 26 công thức V.89)

Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: q W =α W (t W 2−t s )=1,434.q W 0,7

Khi đó, nhiệt độ trung bình nước là: ttbN = t sN + t w 1

Tại ttbN = 117,75 o C (Tra tài liệu tham khảo [5] trang 120), hệ số A phụ thuộc vào tính chất vật lý của nước theo nhiệt A = 186,988

Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống: α N = 73,406.A

73,406.186,988 (120−115,5) 0,25 =¿ 9424,172 (W/m 2 K) Vậy nhiệt tải của dòng hơi đốt trong ống: q N = 73,406.A

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qN = 42408,774 (W/m 2 )

Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: qw = 1,434 q W 0,7 ( t W 2−78,38)=1,434 q W 0,7 (102,98−78,38)

Vậy hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy: α W = 1,434.q w 0,7 = 1,434.43161,74 0,7 =¿ 2518,213 (W/m 2 K)

43161,74 =0,017 a = 6

Số ống trên đường chéo hình 6 cạnh đều: b = 2.a – 1 = 2 6 – 1 = 11

Chọn bước ống: t = 1,2.dn = 1,2.0,025 = 0,03 (m) Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt (Công thức V.140/49, tài liệu tham khảo [3])

Vậy: Thiết bị nồi đun sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm với n = 91 (ống), chiều dài ống truyền nhiệt L = 2 (m), đường kính thiết bị D = 0,4 (m).

Tổn thất đường ống dẫn từ bồn chứa nguyên liệu đến bồn cao vị, tính theo công thức: h = (λ.1 d+∑ ξ ¿ v F

- Đường kính ống dẫn dòng nhập liệu từ bồn chứa nguyên liệu đến bồn cao vị là d1 100 (mm)

- Tra bảng II.15 trang 381 tài liệu tham khảo [2], chọn ống mới không hàn, độ nhám của ống 𝜀 = 0,1 (mm)

- Chiều dài tổng đường ống dẫn, chọn: l1 = 25 (m)

Xác định vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống dẫn:

Nhiệt độ chất trong bồn chứa: tf = 30 o C Tra bảng I.101 trang 92, tài liệu tham khảo [2]: Khối lượng riêng ρ F (Bảng I.2 trang 9)

- Khối lượng riêng của Tetrachloromethane: ρ T = 1575 (kg/m 3 )

1575 => ρ F = 1561,55 (kg/m 3 ) Độ nhớt μF (Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μF) = xF.log(μC) + (1 – xF).log(μT) = 0,1495.log(0,00051) + (1 – 0,1495).log(0,00084) => μF = 0,0007796 (N.s/m 2 )

Hệ số dẫn nhiệt λF (Bảng I.130 trang 134)

- Nhiệt dung riêng của Chloroform: CC = 1037 (J/kg.K)

- Nhiệt dung riêng của Tetrachloromethane: CT = 979 (J/kg.K)

Nên: CF = CC x´ F +¿ (1 - x ´ F ¿.CT = 1037.0,12 + (1 – 0,12).979 = 985,96 (J/kg.K)

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống dẫn: v F1 = 4.G F

Hệ số ma sát trong đường ống:

Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu đi trong ống dẫn:

0,0007796 238,625>4000 Suy ra: chế độ chảy rối (trang 378, tài liệu tham khảo [2])

Chuẩn số Reynolds giới hạn: (Công thức II.59 trang 378, tài liệu tham khảo [2])

Chuẩn số Reynolds khi xuất hiện vùng nhám: (Công thức II.62 trang 379, tài liệu tham khảo [2])

Suy ra: khu vực chảy quá độ (nằm giữa khu vực nhẵn thủy lực và khu vực nhám)

Hệ số ma sát của khu vực chảy quá độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và độ nhám của thành ống ( trang 379, Sổ tay tập 1, tài liệu tham khảo [2])

100=0,001=¿0,00008< ε d tr ρ F = 1516,35 (kg/m 3 ) Độ nhớt μF (Bảng I.101 trang 91)

Hệ số dẫn nhiệt λF (Bảng I.130 trang 134)

Nên: CF = CC x´ F +¿ (1 - x ´ F ¿.CT = 1071,077.0,12 + (1 – 0,12).912,077 = 931,157 (J/kg.K)

- Chọn đường kính ống dẫn từ bồn cao vị qua thiết bị đun sôi nhập liệu: d2 = dtr(nl) 92 (mm)

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống dẫn: v F2 = 4.G F

Hệ số ma sát trong đường ống:

0,000591 $701,592 > 4000 Suy ra: chế độ chảy rối (trang 378, tài liệu tham khảo [2])

92=1,087 10 −3 =¿0,00008< ε d 2 ρ F = 1561,55 (kg/m 3 ) Độ nhớt μF (Bảng I.101 trang 91)

Suất lượng nhập liệu của dòng nhập liệu đi trong ống:

Vậy: chọn bơm có năng suất: Qb = 3 (m 3 /h)

- Mặt cắt (1 - 1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu

- Mặt cắt (2 - 2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao bị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1 - 1) và (2 - 2): p 1 ρ F g+z 1 + v 1 2

- z1: độ cao mặt thoáng (1 - 1) so với mặt đất, chọn z1 = 1 (m)

- z2: độ cao mặt thoáng (2 - 2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 96 (m)

- p1: áp suất tại mặt thoáng (1 - 1), chọn p1 = 1 (at)

- v1 = v2 = 0 (m/s): vận tốc tại mặt thoáng (1 - 1) và (2 - 2)

- ∑h f 1−2: tổng tổn thất trong ống từ (1 - 1) đến (2 - 2)

- Hb: cột áp của bơm

Tính tổng trở lực trong ống:

- Chọn đường kính trong ống hút và ống đẩy của bơm bằng nhau: dhút = dđẩy = dống = 50 (mm)

Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy:

- lh: Chiều dài ống hút (Tra bảng II.34 trang 441 tài liệu tham khảo [2]), ta có: chiều cao hút của bơm: hh = 4 (m) Chọn chiều dài lh = 5 (m)

- lđ: chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 10 (m)

- ∑ξ hút : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút

- ∑ξ đẩy : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy

- 𝜆: hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy

- vF: vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy (m/s) vF = 4.Q b

Xác định hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy:

0,000779 B503,562>¿ 4000 Suy ra: chế độ chảy rối (trang 378, tài liệu tham khảo [2])

50=0,2 10 −4 =¿0,00008< ε d ống ρ D = 1401,64 (kg/m 3 ) Độ nhớt μD (Bảng I.101 trang 91)

Nên: lg(μD) = xD.log(μC) + (1 – xD).log(μT) = 0,8502.log(0,000340) + (1 – 0,8502).log(0,000492) => μD = 0,000359 (N.s/m 2 )

Suất lượng nhập liệu của dòng nhập liệu đi trong ống:

Vậy: chọn bơm có năng suất: Q’b = 3 (m 3 /h)

- Mặt cắt (1 - 1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu

- Mặt cắt (2 - 2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao bị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1 - 1) và (2 - 2): p 1 ρ F g+z 1 + v 1 2

- p2: áp suất tại mặt thoáng (2 - 2), chọn p1 = 2,9 (at)

- v1 = v2 = 0 (m/s): vận tốc tại mặt thoáng (1 - 1) và (2 - 2)

- ∑h f 1−2: tổng tổn thất trong ống từ (1 - 1) đến (2 - 2)

- Hb: cột áp của bơm

Tính tổng trở lực trong ống:

- Chọn đường kính trong ống hút và ống đẩy của bơm bằng nhau: dhút = dđẩy = dống 100 (mm)

Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy:

- lh: Chiều dài ống hút (Tra bảng II.34 trang 441 tài liệu tham khảo [2]), ta có: chiều cao hút của bơm: hh = 0 (m) Chọn chiều dài lh = 0,5 (m)

- lđ: chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 5 (m)

- ∑ξ hút : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút

- ∑ξ đẩy : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy

- 𝜆: hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy

- vF: vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy (m/s) vD = 4.Q ' b

Xác định hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy:

0,000359 A372,821>¿ 4000 Suy ra: chế độ chảy rối (trang 378, tài liệu tham khảo [2])

100=0,1 10 −4 =¿0,00008< ε d ống

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Chưng Cất Hỗn Hợp Chloroform – Tetrachloromethane Sử Dụng Tháp Mâm Chóp
Tác giả	Phạm Thành Lợi, Lê Hồ Chơn Duyên
Người hướng dẫn	TS. Hồ Phương
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ Án
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	1 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1]: Vũ Bá Minh (Chủ biên) - Võ Văn Bang: Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm: Nhà xuất bản đại học quốc gia tp.Hồ Chí Minh. - Vol. 3	Khác
[2]: Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất: Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. – Vol. Tập 1	Khác
[3]: Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất : Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. - Vol. Tập 2	Khác
[4]: Hồ Lê Viên: Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất: Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 1978	Khác
[5]: Phạm Văn Bôn - Vũ Bá Minh - Hoàng Minh Nam: Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học: Nhà xuất bản đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. - Vol. 10. [6]	Khác
[6]: Nguyễn Tấn Dũng: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt: Nhà xuất bản đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. - Vol. phần 1. Tập 2	Khác