đồ án môn học quá trình thiết bị thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ methanol nước nhập liệu ở áp suất thường

HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÁP MÂM XUYÊN LỖ HỆ METHANOL – NƯỚC NHẬP LIỆU... Đối với hệ

TỔNG QUAN

Nguyên liệu đầu vào

Methanol là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của alcohol Có công thức hóa học của nó là CH4O hay CH3OH ( một nhóm methyl liên kết với một nhóm hydroxyl phân cực, thường viết tắt là MeOH), mang tính chất của một alcohol đơn chức Methanol còn được biết đến như là rượu methylic, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay rượu mạch gỗ

Methanol là cồn công nghiệp, rất độc, uống lượng nhỏ gây mù mắt, nhiều hơn có thể tử vong Khi uống vào, methanol gây tổn thương não, dây thân kinh thị giác, hoại tử não, tổn thương nội tạng Bình thường ở ngưỡng 10ml methanol nguyên chất có thể gây mù vĩnh viễn bằng cách phá hủy dây thần kinh thị giác, 30ml có khả năng gây tử vong

1.1.1.2 Tính chất vật lý và thông số hóa lý

Methanol là rượu đơn giản, nhẹ, dễ bay hơi, không màu, dễ cháy, rất độc

Công thức phân tử CH3OH

Khối lượng phân tử, g/mol 32,04

Nhiệt độ nóng chảy, ℃ (760 mmHg) -97

Nhiệt dung riêng, kJ/kg.℃ 2,742 Độ nhớt, Ns/m 2 (25℃) 0,59

Bảng 1.1: Các thông số hóa lý của methanol Hình 1.1: Công thức cấu tạo của methanol

Methanol được sử dụng như chất chống đông, dung môi, nhiên liệu cho các động cơ đốt trong và như là một chất làm biến tính methanol Ứng dụng lớn nhất của methanol là dùng để sản xuất các hóa chất khác

Khoảng 40% methanol được chuyển thành formal dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn, Các hóa chất khác được dẫn xuất từ methanol bao gồm dimethylete,

Nước (H2O) là hợp chất phân cực ở nhiệt độ phòng, một chất lỏng không mùi và không vị, gần như không màu Là hợp chất hóa học được nghiêng cứu nhiều nhất và được mô tả là

“dung môi vạn năng” và “dung môi của sự sống” Nước là chất có nhiều trên Trái Đất và là chất phổ biến duy nhất tồn tại dưới dạng chất rắn, lỏng và khí trên bề mặt Trái Đất Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên Trái Đất (3/4 diện tích Trái Đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống

Các phân tử nước hình thành liên kết hydro với nhau và phân cực mạnh, cho phép nó tách các ion trong muối và liên kết với các phân tử phân cực khác như rượu và acid, do đó hòa tan chúng Liên kết hydro của nó gây ra những tính chất độc đáo, chẳng hạn như có dạng rắn ít đậm đặc hơn dạng lỏng, có điểm sôi tương đối cao là 100 o C và khả năng tỏa nhiệt cao

Nước là chất lưỡng tính, có nghĩa là nó có thể thể hiện các tính chất của acid hoặc base, tùy thuộc vào pH của dung dịch mà nó có trong đó; nó đẽ dàng tạo ra cả ion H+ và OH-

Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45° Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của nước

1.1.2.2 Tính chất vật lý và thông số hóa lý

Tính dẫn điện: Thực chất thì nước tinh khiết (nước cất) không dẫn điện Nước thông thường thường chứa nhiều loại muối tan Tính dẫn điện của nước thông thường phụ thuộc vào tổng lượng muối trong nước, tính chất các muối và nhiệt độ của nước Nước khoáng hoá cao thường có tính dẫn điện mạnh

Tính dẫn nhiệt: nước có khả năng dẫn nhiệt tốt

Khối lượng phân tử, g/mol 18

Nhiệt độ nóng chảy, ℃ (760 mmHg) 0

Nhiệt dung riêng, kJ/kg.℃ 4,187 Độ nhớt, Ns/m 2 (25℃) 0,9005

Bảng 1.2: Các thông số hóa lý của nước 1.1.2.3 Ứng dụng

Hòa tan chất dinh dưỡng cho cơ thể sống

Tham gia vào quá trình hóa học trong cơ thể người và động vật

Có vai trò rất quan trọng trong đời sống: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,…

Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang hợp tạo thành khí oxi:

4 Nước rất cần thiết cho đời sống hàng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải Sự sống trên Trái Đất đều bắt nguồn từ nước và phụ thuộc vào nước Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu một khu vực, là nguyên nhân tạo ra thời tiết

Hỗn hợp methanol- nước có bảng thành phần lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp methanol - nước ở áp suất 760mmHg ( tra bảng IX.2a/148 TLTK tập 2) x(%mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%mol) 0 26.8 41.8 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87 91.5 95.8 100 t( o C) 100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.5 66 64.5

Bảng 1.3: Cân bằng lỏng hơi cho hệ methanol – nước

Từ bảng 3 ta vẽ được giản đồ nhiệt độ - nồng độ cho hệ methanol – nước:

Hình 1.3: Đồ thị nhiệt độ - thành phần lỏng hơi của hệ methanol – nước

Nhiệt độ, t (pC) x,y (%mol) Đường lỏng Đường hơi

Hình 1.4: Đồ thị mối quan hệ thành phần trong pha lỏng và hơi của hệ methanol – nước

Tổng quan lý thuyết chưng cất

Chưng cất là quá trình phân riêng các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hỗn hợp hơi/khí - lỏng) ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau Khi chưng cất, ta thu được rất nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta chỉ thu được 2 sản phẩm:

− Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm có cấu tử có áp suất hơi bão hòa lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

− Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có áp suất hơi bão hòa nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ methanol - nước

− Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm methanol và một ít nước

− Sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít methanol

1.2.2 Các phương pháp chưng cất

Phân loại theo áp suất làm việc:

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

Phân loại theo nguyên lí làm việc:

− Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được sử dụng trong các trường hợp sau: khi nhiệt độ sôi 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 hỗn hợp 2 cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp chưng cất là phương pháp hiệu quả khi chưng cất hỗn hợp nguyên liệu và thu được nước ở đáy Phương pháp này phù hợp với trường hợp thành phần còn lại dễ bay hơi.

− Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho đáy tháp chưng cất (gián tiếp): nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp để cung cấp nhiệt cho hệ thống

Các loại nồi đun cho tháp chưng cất:

+ Thiết bị trao đổi nhiệt loại 2 vỏ: dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ

7 + Nồi đun đặt ngoài: dùng cho tháp chưng cất năng suất cao Chất tải nhiệt nóng đi trong ống hơi đi và tháp cân bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nối đun được xem là một mâm lí thuyết

+ Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng: Chất tải nhiệt đi ngoài ống bốc hơi hoàn toàn phần lỏng đi và nồi đun Do đó hơi có chung thành phần với dòng sản phẩm đáy

Thiết bị trao đổi nhiệt tiếp nhận dòng lỏng từ mâm đáy và chỉ bốc hơi một phần của nó Do sản phẩm methanol đòi hỏi độ tinh khiết cao và hỗn hợp methanol - nước không có điểm đẳng phí, nên phương pháp phù hợp là chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đặt ngoài dưới áp suất thường.

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

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

Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Ở đây, ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol – Nước

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Thuyết minh về quy trình công nghệ

Hỗn hợp Methanol – nước có nổng độ nhập liệu Methanol 25% theo khối lượng, nhiệt độ khoảng 28 o C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng lống (3) để gia nhiệt ban đầu cho dòng nhập liệu Tại đây, dòng nhập liệu trao đổi nhiệt với hơi nước bão hòa có áp suất 2at, gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp 83,79 o C Hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất số (7) ở mâm nhập liệu

Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giửa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng cất càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% khối lượng Methanol) Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm nguội đến 35 o C, rồi đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh Phần còn lại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào nồi đun (12) Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để làm việc liên tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) Sau đó, được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (14)

TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Cân bằng vật chất

Chưng cất hỗn hợp Methanol – nước bằng tháp mâm xuyên lỗ với cấu tử dễ bay hơi hơn là methanol

Trạng thái nhập liệu là lỏng sôi ở áp suất thường P = 1 atm

Nồng độ nhập liệu (tính theo methanol): 25%kl

Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo methanol): 95%kl

Tỉ lệ thu hồi methanol: 98%kl

− Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội t ’ D = 35 o C

− Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội t’W = 35 o C

Khối lượng phân tử Methanol: 𝑀 𝐶𝐻 3 𝑂𝐻 = 32 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Khối lượng phân tử nước: M H 2 O = 18 g/mol

Tra sổ tay Hóa lý, TLTK [1]:

− Khối lượng riêng của methanol nguyên chất ở 25 o C: ρMe = 791,8 kg/m 3

− Khối lượng riêng của nước cất ở 25oC : ρN = 997,080 kg/m3

3.1.2 Các ký hiệu được sử dụng

F và G F : là lưu lượng của dòng nhập liệu lần lượt theo kmol/h và kg/h

D và G D : là lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh lần lượt theo kmol/h và kg/h

W và G W : là lưu lượng của dòng sản phẩm đáy lần lượt theo kmol/h và kg/h xF và 𝑥̅̅̅: lần lượt là phần mol và phần khối lượng của Methanol trong dòng nhập liệu 𝐹 xD và 𝑥̅̅̅: lần lượt là phần mol và phần khối lượng của Methanol trong dòng sản phẩm đỉnh 𝐷 xW và 𝑥̅̅̅̅: lần lượt là phần mol và phần khối lượng của Methanol trong dòng sản phẩm đáy 𝑊

3.1.3 Tính toán các dòng cân bằng vật chất

Phân khối lượng của Methanol trong dòng nhập liệu: x̅̅̅ = 0,25 pkl F

Phân mol của Methanol trong dòng nhập liệu: x F x F ̅̅̅

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

Suất lượng dòng nhập liệu tính theo kmol/h:

Phân khối lượng của Methanol trong dòng sản phẩm đỉnh: x̅̅̅ = 0,95 pkl D

Phân mol của Methanol trong dòng sản phẩm đỉnh: x D x D ̅̅̅

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

Suất lượng sản phẩm đỉnh với tỉ lệ thu hồi là 98%

0,95 = 644,74(kg/h) Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h

Suất lượng dòng sản phẩm đáy tính theo kg/h:

Tỉ lệ thất thoát methanol là 2% khối lượng:

2500.0,25 = 0,02 → x̅̅̅̅=6,7.10 W -3 (pkl) Suất lượng dòng sản phẩm đáy tính theo kmol/h:

Phân mol của Methanol trong dòng sản phẩm đáy: x W x̅̅̅̅ W

Khối lượng phân tử trung bình của dòng sản phẩm đáy:

Năng suất nguyên liệu, kg/h

Nồng độ phần mol, phần mol

Phân tử lượng trung bình, kg/kmol

Bảng 3.1: Tóm tắt các số liệu tính toán cân bằng vật chất 3.1.4 Xác định chỉ số hoàn lưu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu cho quá trình chưng cất xác định trước và tương ứng là nhiệt tải của nồi đun và thiết bị ngưng tụ là tối thiểu với số mâm là vô cực

Chỉ số hồi lưu rất quan trọng vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp có ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn

Chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) biểu thị tỷ lệ hồi lưu cần thiết khi số khay lý thuyết trong tháp chưng cất tiến tới vô cùng Tuy nhiên, để giảm chi phí chế tạo tháp, cần điều chỉnh giảm số khay thực tế Do đó, chỉ số hồi lưu thực tế sẽ lớn hơn chỉ số hồi lưu tối thiểu, giúp tối ưu hóa thiết kế tháp chưng cất và tiết kiệm chi phí.

Rmin= x D − y F y F ∗ −x F (Công thức IX.24/158, TLTK [2])

Trong đó: y * F là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng

13 xF của hỗn hợp ban đầu

Dựa vào đồ thị hình 1.1.4, ta có: xF = 0,16 → y*F=0,53

Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hồi lưu này Mặt khác số mâm lý thuyết của tháp giảm cùng với sự tăng của chỉ số hồi lưu Nếu giảm chỉ số hồi 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 chỉ số hồi lưu Để tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu theo công thức:

R= 1,3.R min + 0,3 (Công thức IX.25b/159, TLTK [2])

3.1.5 Phương trình đường làm việc – Xác định số mâm lý thuyết

3.1.5.1 Phương trình đường làm việc phần cất y= R

3.1.5.2 Phương trình đường làm việc phần chưng x= R+1

3.1.5.3 Xác định số mâm lý thuyết

Hình 3.1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần chưng Trên đồ thị x-y ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác định được số mâm lý thuyết

Từ đồ thị, ta có 9,3 mâm bao gồm:

{ mâm nhập liệu: là mâm số 5 mâm cất: 4 mâm mâm chưng: 3,3 mâm nồi đun: 1 nồi Tóm lại, số mâm lý thuyết là: Nlt= 8,3 mâm

3.1.6 Xác định mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình (công thức IX.59/169, TLTK [2])

N tt =N lt η tb Trong đó :

Ntt : số mâm thực tế

Nlt : số mâm lí thuyết ηtb: hiệu suất trung bình của mâm η tb = η 1 +η 2 +…+η n n (công thức IX.60/170, TLTK [2])

Trong đó: η1, η2, η3,… - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ; n - số vị trí tính hiệu suất

Trong trường hợp này ta tính: η=η F +η D +η W

3 Với ηD, ηW, ηF - lần lượt là hiệu suất ở mâm ở đỉnh, ở mâm đáy và ở mâm ở nhập liệu

Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi α= y *

Trong đó: x là số mol của rượu trong pha lỏng

𝑦 ∗ là phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

3.1.6.1 Tại vị trí mâm nhập liệu x F = 0,16, ta tra đồ thị cân bằng của hệ y F ∗ = 0,53; t F = 83,79 o C

Tra bảng giá trị độ nhớt TLTK [1] và nội suy giá trị độ nhớt theo nhiệt độ t F = 83,79 o C, ta có: Độ nhớt methanol μ M = 0,32 (cP) Độ nhớt của nước μ N =0,34 (cP) Độ nhớt của hỗn hợp (Công thức I.12/84, TLTK [1]) log μ hh = x F log μ M +(1- x F ) log μ N log μ hh = 0,16.log(0,32)+(1-0,16).log(0,34)

3.1.6.2 Tại vị trí mâm đỉnh x D = 0,91, ta tra đồ thị cân bằng của hệ y D ∗ = 0,96; t D = 65,85 o C α D = y D *

0,91 =2,37 Tra bảng I.101/91, TLTK [1] và nội suy giá trị độ nhớt với nhiệt độ t D = 65,85 o C, ta có: Độ nhớt methanol: μ Me = 0,35 (cP) Độ nhớt của nước: μ N =0,43 (cP) Độ nhớt của hỗn hợp (công thức I.12/84, TLTK [1])

17 log μ hh = x D log μ M +(1- x D ) log μ N log μ hh = 0,91.log(0,35)+(1-0,91).log(0,43)

3.1.6.3 Tại vị trí mâm đáy xw =0,0038, ta tra đồ thị cân bằng của hệ y*w =0,02; tw = 99,36 o C α W = y* W

Tra bảng I.101/91, TLTK [1] và nội suy giá trị độ nhớt với nhiệt độ t F = 99,36 o C, ta có: Độ nhớt methanol: μ M =0,31 (cP) Độ nhớt của nước: μ N = 0,29 (cP) Độ nhớt của hỗn hợp (công thức I.12/84, TLTK [1]) log μ hh = x W log μ E +(1- x W ) log μ N log μ hh = 0,0038.log(0,31)+(1-0,0038).log(0,29)

Hiệu suất trung bình của mâm: η tb = η F + η D + η W

3.1.6.4 Xác định số mâm thực tế

N cất tt =N cất lt η tb = 4

N chưng tt = N chưng lt ŋ tb = 3,3

Vậy chọn N tt = 18, bao gồm: { mâm nhập liệu: 1 (mâm thứ 10) mâm cất: 9 mâm mâm chưng: 8 mâm

Cân bằng năng lượng

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:

QF + QD2 + QR = Qy + QW + Qxq2 + Qng2 (I.156/197 TLTK [2]) Trong đó:

QF: Nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang vào

QD2: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

QR: Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào

QW: Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra

Qy: Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh mang ra

Qxq2: Nhiệt lượng tổn thất do môi trường xung quanh

Qng2: Nhiệt lượng nước ngưng mang ra

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp Q F

Tra bảng I.154/172 TLTK [1] tại nhiệt độ t F ,79 o C

Nhiệt dung riêng của methanol: C P Me = 2,880 (kJ/kg o C)

Nhiệt dung riêng của nước: C P N = 4,194 (kJ/kg o C)

Nhiệt lượng do hỗn hợp methanol - nước nhập vào tháp QF:

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D2

Dùng hơi nước bão hòa cùng cấp ở áp suất P*t Tra bảng I.251/314 TLTK [1], ta có, nhiệt độ hơi nước t2 = 119,6 o C; nhiệt hóa hơi của nước r2 = 2208 (kJ/kg)

Tra bảng I.148/166, TLTK [1] ta có:

CP2 = 0,506 (kcal/kg o C) = 2,1185 (kJ/kg o C)

Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào Q R

QR = GR.cPR.tR (I.158/197 TLTK [2])

Suất lượng dòng hồi lưu: GR = GDR = 644,74.1,64 = 1057,37 (kg/h)

Tại tR = tD = 65,85 o C, Tra bảng I.154/172 TLTK [2]:

Nhiệt dung riêng của methanol: c Me = 2,788 (kJ/kg o C)

Nhiệt dung riêng của nước: c N = 4,189 (kJ/kg o C)

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Q y

Trong đó, D là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp:

Tại tD = 65,85℃ tra bảng I.212/254, TLTK[1], ta có:

Nhiệt hóa hơi của methanol: rMe = 1097,65 kJ/kg

Nhiệt hóa hơi của nước: rN = 2408,16 kJ/kg

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q W

Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 𝑡 𝑊 = 99,36℃ Nhiệt dung riêng của methanol: 𝑐 𝑚𝑒 = 2,96 (kJ/kg o C) Nhiệt dung riêng của nước: 𝑐 𝑁 = 4,23 (kJ/kg o C)

Ta có: c W = x̅̅̅̅ c W me +(1-x̅̅̅̅).c W N c W = 6,7.10 -3 2,96+(1-6,7.10 -3 ).4,23 = 4,22(kJ/kg o C) Nhiệt lượng do hỗn hợp methanol- nước nhập vào tháp QW:

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ng2

Qng2 = Gng2.CPng2r2 = D2CP2t2 (Công thức I.150/196 TLTK [2])

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q xq2

Ta có QF + QD2 + QR = QD + QW + Qxq2 + Qng2

→ QF + D2(r2 + CP2t2)+ QR = QD + QW + Qxq2 + D2CP2t2

- Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào tháp: 809.830,35 kJ/h.- Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp: 2.428.038,183 kJ/h.- Nhiệt lượng dòng hồi lưu: 199.135,55 kJ/h.- Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp: 2.300.219,3 kJ/h.- Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp: 777.909,03 kJ/h.- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: 249.978,66 kJ/h.- Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh: 108.902,98 kJ/h.

Bảng 3.2: Tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Tại tD = 65,85℃ tra bảng I.212/254, TLTK[1], ta có:

Nhiệt hóa hơi của methanol: rMe = 1097,65 kJ/kg

Nhiệt hóa hơi của nước: rN = 2408,16 kJ/kg

Ta có: rD = x̅̅̅ r D me + (1- x̅̅̅) r D n rD = 0,95 1097,65 + (1 - 0,95) 2408,16 = 1163,18 (kJ/kg)

Vậy: Q nt =( R + 1) G D r D = (1,64+1).644,74.1163,18 = 1979864,50 (kJ/h) Chọn nhiệt độ nước vào t1 = 20 o C, nhiệt độ nước ra t2 = 40 o C

Tra bảng I.250/312 TLTK [1] tại tv = 20 o C, ta có hv = 83,38 (kJ/kg) tại tr = 40 o C, ta có hr = 167,6 (kJ/kg)

Vậy lượng nước lạnh cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh là:

3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Chọn nhiệt độ tiêu chuẩn t ′ D 5 o C

Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 35 o C

23 Nhiệt dung riêng của methanol: c Me = 2,645 (kJ/kg o C)

Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 35 o C h ’ D = c’D t’D = (0,95 2,645 + 0,05 4,178) 35 = 95,26 (kJ/kg)

Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 65,85 o C

Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 65,85 o C hD = cD tD = (0,95.2,789 + 0,05 4,184) 65,85 = 188,24 (kJ/kg)

Nhiệt lượng do hỗn hợp methanol- nước nhập vào tháp QD:

Chọn nhiệt độ nước vào t1 = 20 o C, nhiệt độ nước ra t2 = 40 o C

Vậy lượng nước lạnh cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh là:

3.2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Chọn nhiệt độ tiêu chuẩn t ′ D 5 o C

Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 35 o C

Nhiệt dung riêng của Methanol: c Me = 2,645 (kJ/kg o C)

Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 35 o C h ’ W = c’W t’W = (0,0067 2,645 + 0,9933 4,178) 35 = 145,87 (kJ/kg) Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 99,36 o C

Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 99,36 o C hW = cw tw = (0,0067.2,961 + 0,9933 4,219) 99,36 = 418,36 (kJ/kg) Nhiệt lượng do hỗn hợp methanol- nước nhập vào tháp QD:

Chọn nhiệt độ nước vào t1 = 20 o C, nhiệt độ nước ra t2 = 40 o C

Vậy lượng nước lạnh cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy là:

3.2.5 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Phương trình cân bằng năng lượng:

Qf2 + QD1 = QF + Qxq1 + Qng1 (Công thức IX.149/196 TLTK [2])

Q ng1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Qng1 = Gng1.CP1t1 = D1.CP1.t1 (Công thức I.153/197 TLTK [2]) Trong đó: Gng1: Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h

Q D1 : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

QD1 = D11 = D1(r1 + t1CP1) (Công thức I.150/196 TLTK [2]) Trong đó: D1: Lượng hơi đốt, kg/h r1: ẩn nhiệt hóa hơi, kJ/kg

1: nhiệt lượng riêng của hơi đốt t1: Nhiệt độ nước ngưng, o C

Cp1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg o C

Q f2 : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Trong đó: GF: suất lượng nhập liệu, kg/h tf2: Nhiệt độ hỗn hợp nhập liệu khi vào, o C

CPf2: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu, J/kg o C

Q F : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:

Trong đó: GF: suất lượng nhập liệu, kg/h tF: Nhiệt độ hỗn hợp nhập liệu khi ra, o C

CPF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu, J/kg o C

Q xq1 : Nhiệt lượng tổn thất do môi trường xung quanh

Tra bảng I.154/172 TLTK [1] tại nhiệt độ t F ,79 o C

Nhiệt dung riêng của methanol: C P Me = 2,880 (kJ/kg o C)

Nhiệt dung riêng của nước: C P N = 4,194 (kJ/kg o C) c P F = x̅ F c Me +(1-x̅ ).c F N c P F =0,25.2,880+(1 - 0,25).4,194=3,866 (kJ/kg o C)

Tra bảng I.154/172 TLTK [1] tại nhiệt độ t f2 ( o C

Nhiệt dung riêng của methanol: C P Me = 2,612(kJ/kg o C)

Nhiệt dung riêng của nước: C P N = 4,173 (kJ/kg o C)

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa cùng cấp ở áp suất P*t Tra bảng I.251/314 TLTK [1], ta có, nhiệt độ hơi nước t1 = 119,6 o C; nhiệt hóa hơi của nước r1 = 2208 (kJ/kg)

Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun nóng hỗn hợp nhập liệu đến nhiệt độ sôi:

Tra bảng I.148/166, TLTK [1] ta có:

CP1 = 0,506 (kcal/kg o C) = 2,1185 (kJ/kg o C)

Nhiệt lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu là:

Nhiệt lượng của hỗn hợp nhập liệu mang vào Qf2 = 334600 (kJ/h)

Nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang ra là 809.830,35 kJ/h Nhiệt lượng để đun sôi hỗn hợp là 557.648,58 kJ/h, trong đó có 226,56 kJ/h dùng để đun nóng.

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1 = 57404,10 (kJ/h) Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh Qxq1 = 25012,224 (kJ/h)

Bảng 3.3: Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

28 Nhiệt lượng của dòng nhập liệu mang vào tháp QF = 809830,35 (kJ/h) Lượng hơi đốt cần dùng cho tháp chưng cất D2 = 986,44 (kg/h)

Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp QD2 = 2428038,183 (kJ/h) Nhiệt lượng của dòng hồi lưu QR = 199135,55 (kJ/h) Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy = 2300219,3 (kJ/h) Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp Qw = 777909,03 (kJ/h) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2 = 249978,66 (kJ/h) Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh Qxq = 108902,98 (kJ/h) Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Qnt = 1979864,50 (kJ/h) Lượng nước tiêu tốn để ngưng tụ sản phẩm đỉnh Gnt = 23508,25 (kg/h) Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Qn = 59947,92 (kJ/h) Lượng nước tiêu tốn để làm nguội sản phẩm đỉnh Gn = 711,80 (kg/h)

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Qn = 505539,80 (kJ/h) Lượng nước tiêu tốn để làm nguội sản phẩm đáy Gn = 6000,61(kg/h)

Nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang vào hệ thống (Qf2) là 334600 kJ/h Nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang ra (QF) là 809830,35 kJ/h Lượng nhiệt lượng cần bổ sung để đun sôi hỗn hợp nhập liệu (QD1) là 557648,58 kJ/h Để đun nóng hỗn hợp nhập liệu, hệ thống cần cung cấp lượng hơi nước (D1) là 226,56 kJ/h.

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1 = 57404,10 (kJ/h) Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh Qxq1 = 25012,224 (kJ/h)

Bảng 3.4: Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng

TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

Đường kính tháp chưng cất

Theo công thức IX.89,IX.90 trang 181, TLTK [2] Ta có:

𝑉 𝑡𝑏 : Lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h)

𝜔 𝑡𝑏 : Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s) gtb: Lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h)

(ρy ω y)tb: Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m².s)

4.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất g tb = g d + g 2 l (IX.91 trang 181, TLTK [2])

Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất (kg/h) gd: lượng hơi ra khỏi mâm trên cùng của tháp (kg/h) gl: lượng hơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất (kg/h)

Lượng hơi đi ra khỏi mâm trên cùng của tháp g d =G D (R+1) (IX.92 trang 181, TLTK [2])

Lượng hơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất

Cân bằng vật liệu toàn phần từ mâm tiếp liệu đến đỉnh tháp:

30 gl = Gl + GD (IX.93 trang 182, TLTK [2])

Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử nhẹ từ mâm tiếp liệu đến đỉnh tháp gl yl=Gl xl + GD xD (IX.94 trang 182, TLTK [2])

Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn phần từ mâm tiếp liệu đến đỉnh tháp: gl rl=gd rd (IX.95 trang 182, TLTK [2])

Với: rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp

G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

Tính 𝑟 𝑙 của hỗn hợp hơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất ở t l = t F = 83,79 o C

Tra bảng I.212 trang 254, TLTK [1],ta có: Ản nhiệt hóa hơi của methanol: rMe = 1056,28 kJ/kg Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rn = 2332,05 kJ/kg r l =r me y̅ 1 +(1-y̅ 1 )r n  r l 56,28 y̅ 1 +(1-y̅ ) 2332,05 1

Tính 𝑟 𝐷 ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp ở t D = 65,85 o C

Tra bảng I.212 trang 254, TLTK [1],ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của methanol: rme = 1097,64 kJ/kg Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rn = 2408,16 kJ/kg r D =r me y̅̅̅+(1-y D ̅̅̅)r 𝐷 n với y ̅̅̅ = 0,98% pkl 𝐷

Thay các giá trị đã có vào hệ phương trình ta giải được: {

→ Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào mâm thứ nhất đi vào đoạn cất: rl = 1541,07 kJ/kg y1 = 0,48 phần mol

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất: g tb = g d + g 2 l =1702,11+1236,25

4.1.1.2 Vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn cất ω gh = 0,05 × √ 𝜌 𝜌 𝑥𝑡𝑏

𝜌 𝑥𝑡𝑏 là khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

𝜌 𝑦𝑡𝑏 là khối lượng riêng trung bình của pha hơi

Xác định 𝜌 𝑦𝑡𝑏 ρ ytb = [y tb M 22,4(273+T Me +(1-y tb ).M N ].273 tb ) (IX.102 trang 183, TLTK [2]) Với nồng độ phần mol trung bình của pha hơi: y tb = y l +y D

Nhiệt độ trung bình của đoạn cất: T tb = t F +t 2 D =83,79+65,85

1 ρ xtb = ρ α tbMe xtbMe+ 1-α ρ tbMe xtbN

Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng: α tbMe = x ̅̅̅+x F 2 ̅̅̅̅ D = 0,25+0,95 2 =0,6

Tra khối lượng riêng tại Ttb = 74,82℃: (Tra bảng I.2 trang 9, TLTK [1]) Khối lượng riêng của methanol: ρMe = 741,38 kg/m 3

Khối lượng riêng của nước: ρN = 975,13 kg/m 3

Vậy nên: 1 ρ xtb = 741,38 0,6 + 975,13 1-0,6  ρ xtb = 820 kg/m 3 ω gh = 0,05 × √ 𝜌 𝜌 𝑥𝑡𝑏

0,98 = 1,45 (m/s) Để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ωytb =0,8×ωgh = 0,8×1,45=1,16 (m/s)

Vậy đường kính phần cất:

4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi qua đoạn chưng g′ tb = g′ n +g′ l

2 (IX.96 và IX.97 trang 182, TLTK [2])

Trong đó: g' tb : lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h) g' n : lượng hơi đi ra đoạn chưng (kg/h) g' l : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

Xác định lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (g' n ):

Do lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (g’n) bằng lượng hơi đi vào đoạn cất (gl)

Do đó ta có thể viết: g' tb = g l +g' l

Xác định lượng hơi đi vào đoạn chưng (g’ l ):

Phương trình cân bằng năng lượng từ mâm tiếp liệu đến đáy tháp: g' l r' l =g' n r' n =g l r l (IX.100 trang 182, TLTK [2])

Tính r’ n của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chưng ở t F = 83,79 o C

Với: r’n = rl (kJ/kg) do ẩn nhiệt hóa hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng chính là ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đoạn cất, có tF = 83,79℃: r’n = rl = 1541,07 kJ/kg

Tính r’ l của hỗn hợp đi vào đoạn chưng tại t W = 99,36℃:

Tra bảng I.212 trang 254, TLTK [1], ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của methanol: rMe = 1015 kJ/kg Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN = 2259,35 kJ/kg r ' l =r Me 𝑦̅ W +(1-𝑦̅ W )r N

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g' l = 𝑔 𝑙 𝑟 𝑙 r' l =1236,25.1541,07

2210,82 = 861,74 (kg/h) Lượng lỏng đi vào đoạn chưng:

Ta có phương trình cân bằng vật liệu toàn phần từ mâm tiếp liệu đến đáy tháp:

Ta có công thức: G' l 𝑥̅ l = g ’ l𝑦̅ W + Gw𝑥̅ W (IX.99 trang 182, TLTK [2]) 𝑥̅ l 2717 = 861,74.0,039 + 1855,26.0,0067

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: g' tb = g' n +g' l

2 = 1049 (kg/h) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:

4.1.2.2 Vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn chưng ω 𝑔ℎ ′ = 0,05 × √ 𝜌 𝑥𝑡𝑏 ′

𝜌 𝑥𝑡𝑏 ′ là khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

𝜌 𝑦𝑡𝑏 ′ là khối lượng riêng trung bình của pha hơi

𝜌 𝑦𝑡𝑏 ′ = [y' tb M 22,4(273+T' me +(1-y' tb ).M tb ) N ].273 (IX.102 trang 183, TLTK [2])

Với nồng độ phần mol trung bình của pha hơi: y' tb = y l +y 2 W = 0,48+0,02 2 = 0,25

Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng: T' tb = t F +t 2 W =83,79+99,36

Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng: α tbMe = x ̅̅̅+x F 2 ̅̅̅̅ W =0,25+0,0067

2 =0,13 Tra khối lượng riêng tại T’tb = 91,58℃: (Tra bảng I.2 trang 9, TLTK [1])

Khối lượng riêng của methanol: ρ’Me = 723,52 kg/m 3

Khối lượng riêng của nước: ρ’N = 964,16 kg/m 3

0,72 = 1,79 (m/s) Để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ω’ytb =0,8×ω’gh = 0,8×1,79=1,43 (m/s)

Vậy đường kính phần chưng:

Kết luận: Hai đường kính đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhau quá lớn, nên ta chọn đường kính toàn tháp Dt = 0,8 m

Khi đó, tốc độ làm việc thực ở

Cấu tạo mâm xuyên lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền với:

− Tiết diện tự do A bằng 7% diện tích mâm

− Chiều cao của gờ chảy tràn trên mâm hgờ = 0,025m

− Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ 0,015 m

− Bề dày mâm xuyên lỗ: 𝛿 = 0,003 m

− Diện tích hai hình bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

− Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Vậy số lỗ trên một mâm là: n = 7%S mâm

0,003) 2 = 4480 (lỗ) Áp dụng công thức V.139/48 TLTK [2]: n = 3a.(a-1) + 1, trong đó a là số hình lục giác

Giải phương trình bậc 2 → a = 39,14 ≈ 40 → Tổng số lỗ N = 4681 lỗ

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 2.40 – 1 = 79 lỗ

4.2.1 Trở lực của đĩa khô Áp dụng công thức IX.140/194 TLTK [2]: ΔP = 𝜉 𝜔 𝑜 2 𝜌 𝑦

Trong đó: Đối với dĩa có tiết diện tự do bằng 7% diện tích mâm thì 𝜉 = 1,82

37 ρ y là khối lượng riêng của pha hơi (kg/m 3 ) ωo là vận tốc hơi qua lỗ

Vận tốc hơi qua lỗ: ωo = ω lv

Vận tốc hơi qua lỗ: ωo = ω′ lv

4.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt

Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm

Sử dụng công thức IX.142/194 TLTK [2]:

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất tLCat = 74,82℃

Tra bảng I.249/310 TLTK [1] → Sức căng bề mặt của nước 𝜎 𝑛 = 69,29.10 -2 N/m Tra bảng I.242 trang 300, [1] → Sức căng bề mặt của methanol 𝜎 𝑚𝑒 = 18,04.10 -3 N/m

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất T’LChung = 91,58℃

Tra bảng I.249 trang 310, [1] → Sức căng bề mặt của nước 𝜎 𝑛 = 60,46.10 -2 N/m Tra bảng I.242 trang 300, [1] → Sức căng bề mặt của methanol 𝜎 𝑚𝑒 = 16,5.10 -3 N/m

4.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên mâm tạo ra: Áp dụng công thức:

Trong đó: hb: chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa (m) ρ x : khối lượng riêng của chất lỏng g : gia tốc trọng trường (9,81 m/s 2 )

K = 0,5: tỉ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng chất lỏng

Tính chiều cao ống chảy truyền h c :

Lgờ: chiều dài của gờ chảy tràn, m

Q L = n L M L ρ L : suất lượng thể tích của pha lỏng, m 3 /s

Tính chiều dài gờ chảy tràn

Ta có: Squạt – Stam giác = Sbán nguyệt

Mtb cất = xtb cất.MMe + (1-xtb cất).MN = 0,54.32 + (1-0,54).18 = 25,56 kg/kmol Lưu lượng của chất lỏng trong phần cất của tháp là:

Hình 4.1: Hình chiếu bằng gờ chảy tràn

Mtb chưng = xtb chưng Mme + (1-xtb chưng) Mn = 0,082.32 + (1-0,082).18 = 19,15 kg/kmol Lưu lượng của chất lỏng trong phần chưng của tháp là:

4.2.4 Tổng trở thủy lực của tháp ở phần cất và phần chưng

Phần cất: ΔP cất = ΔP khô cất + ΔP s cất + ΔP t cất

Phần chưng: ΔP chưng = ΔP khô chưng + ΔP s chưng + ΔP t chưng

4.2.5 Kiểm tra hoạt động của mâm

Với đường kính toàn tháp là Dt = 0,8m, ta chọn khoảng cách giữa 2 mâm Hmâm = 0,5 m (Bảng XI.5/ 170, TLTK [2])

Kiểm tra lại khoảng cách mâm h mâm = 0,5 m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h > 1,8 ∆P ρ L g (Trang 287, TLTK [3])

Với các mâm trong phần chưng, trở lực thuỷ lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực của mâm trong phần cất:

924,20.9,81 = 0,067 m < h mâm = 0,5 m Vậy, điều kiện trên được thoả

Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm

Từ công thức TLTK [4], ta có vận tốc tối thiếu qua lỗ của pha hơi Vmin đủ để cho các lỗ trên mâm đều hoạt động:

V Cất min = V Lmin = 0,67√ g.ρ ε.ρ L cất h b cất ytb cất = 0,67√9,81.820.0,0316

V Chưng min = V Cmin = 0,67√ g.ρ L chưng h b chưng ε.ρ′ ytb chưng = 0,67√9,81.924,20.0,04

1,82.0,72 = 11,146 < ’,43 Vậy, các lỗ trên mâm hoạt động bình thường

Kết luận : Tổng trở lực thuỷ lực của tháp ΔP = N TT chưng ΔP chưng + N TT cất ΔP cất

Kiểm tra độ ngập lụt khi tháp hoạt động

Khoảng cách giữa 2 mâm: ∆h = 500 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức: hd = hgờ + ∆h1 + ∆P + hd’, mm.chất lỏng

Trong đó: hgờ: chiều cao gờ chảy tràn (mm)

∆h1: chiều cao lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn (mm)

∆P: tổng trở lực của 1 mâm (mm.chất lỏng) hd’: tổn thất thủy lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức 5.10/115 TLTK [4]): h d′ = 0,128 ( Q L

Trong đó: QL: lưu lượng của chất lỏng (m 3 /h)

Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

4 0,8 2 = 0,4 (m 2 ) Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd < 1

820 9,81x1000 = 38,43 (mm chất lỏng) h d ′ cất = h d ′ L = 0,128 ( Q Lcất

100 0,4 ) 2 = 9,2 10 −5 (mm chất lỏng) Nên: hdcất = hdL = 25 + 6,6 + 38,43 + 9,2.10-5 = 70 (mm) < 250 (mm)

Vậy, khi hoạt động thì mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt

924,20 9,81x1000 = 37,25 (mm chất lỏng) h d ′ chưng = h d ′ L = 0,128 ( Q LC

100 0,4 ) 2 = 9,76 10 −4 (mm chất lỏng) Nên: hdchưng =hdC = 25 + 15 + 37,25 + 9,6.10 -4 = 77,25 (mm) < 250(mm)

Vậy, khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

Kết luận: Khi hoạt động tháp sẽ không bị ngập lụt

Dc = 0,68 m Đường kính đoạn chưng:

Dch = 0,6m Đường kính tháp: Dt = 0,8m

Tốc độ làm việc thực ở phần cất: ω lv = 0,0188 2 g tb

Tốc độ làm việc thực ở phần chưng: ω′ lv = 0,0188 2 g′ tb

Số lỗ trên một mâm: n = 7%S mâm

Số lỗ trên đường chéo xuyên tâm: 79 lỗ

Trở lực của đĩa khô: ΔP = 𝜉 𝜔 𝑜

Trở lực do sức căng bề mặt:

Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên mâm tạo ra: ∆P t = 1,3K h b ρ X g

Phần cất: ∆P t cất = 165,23 (N/m 2 ) Phần chưng: ∆P t chưng = 235,73 (N/m 2 )

44 Tổng trở thủy lực của tháp ở phần cất và phần chưng:

Phần cất: ΔP cất = 309,13 ( N m⁄ 2 ) Phần chưng: ΔP chưng = 337,74 (N/m 2 )

Tổng trở lực thủy lực của tháp: ΔP = N TT chưng ΔP chưng + N TT cất ΔP cất ΔP = 5484,09 (N/m 2 )

Bảng 4.1: Tóm tắt các thông số của tháp chưng cất

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Bề dày tháp

Chiều cao thân tháp là: (Công thức IX.54/170 TLTK [2])

1 ) Trong đó: Htháp: Chiều cao của tháp, m

Ntt: Số mâm thực tế hđ: Khoảng cách giữa các mâm, m δ = 0,003m: bề dày của mâm

Với đường kính toàn tháp là Dt = 0,8; ta chọn khoảng cách giữa mâm hđ = 0,5 m (Bảng XI.5/ 170, TLTK [2])

Tháp chưng cất dạng thẳng đứng, chịu áp suất trong và áp suất ngoài nên ta chọn đáy (nắp) dạng elip tiêu chuẩn: ht = 0,25Dt = 0,25.0,8 = 0,2 (m)

Chiều cao gờ: hgờ = 0,025m = 25mm

Vậy chiều cao đáy (nắp): Hđáy (nắp) = ht + hgờ = 0,2 + 0,025 = 0,225 (m)

Kết luận: Chiều cao toàn tháp là: H = Hthân + 2Hđáy (nắp) = 10 + 0,225.2 = 10,45m

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang) Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

46 Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của metylic đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Nhiệt độ tính toán: ttt = tđáy + 20 o C= 99,36 + 20 = 119,36 o C Áp suất tính toán: Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên P = Pthủy tĩnh + ∆P (N/mm 2 ) Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở toàn tháp: ρ L =ρ L chưng + ρ L cất

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường: Chọn thiết bị làm việc trong 15 – 20 năm, tốc độ ăn mòn nhỏ hơn 0,1 mm/năm

Hệ số quy tròn kích thước: Co = 1 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: Vì vật liệu là X18H10T → [σ] ∗ = 142 ( N mm 2 ) (Hình 1.1/18 TLTK [1])

→ Ứng suất cho phép: [σ] = 𝜂 [σ] ∗ = 142 ( N mm 2 )

Hệ số bền mối hàn:

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp nối 2 phía:

0,095 = 1420 ≥ 50 do đó bề dày tính toán được của thân được tính theo TLTK [5], trang 96, công thức 5.3 :

2.142.0,95= 0,28 (mm) Suy ra bề dày thực của thân: St = S’ + C

Trong đó: C = Ca + Cb + CC + C0

Với Ca là hệ số bổ sung bề dày

Cb là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học (Cb = 0)

Cc là hệ số bổ sung khi sai lệch do chế tạo (Cc = 0)

C0 là hệ số bổ sung quy tròn (C0 = 1)

Quy tròn theo quy chuẩn St = 3 mm (Bảng XIII.9/366 TLTK [2])

Kiểm tra độ bền với S t = 3 mm Điều kiện: S t – C a

Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:

Kết luận : Bề dày thực của thân là St = 3 mm

5.1.4 Bề dày đáy và nắp thiết bị

Chọn đáy và nắp có dạng là elip tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T

Hình 5.1 Nắp – đáy thiết bị

Nhận thấy: Công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau Nên ta chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm)

Dựa vào Bảng XIII.10/382 TLTK [2] các kích thước của đáy và nắp elip tiêu chuẩn, có gờ:

− Đường kính trong: Dt = 800 (mm)

− Bề dày thân tháp: St = 3 mm

− Diện tích mặt trong đáy: Sđáy = 0,76 (m 2 )

Kiểm tra độ bền với 𝛿 đáy = 3 mm

Bề dày thành đáy (nắp) cần thỏa mãn điều kiện sau:

Kiểm tra ứng suất cho phép:

Với đáy (nắp) elip tiêu chuẩn có: h t

Kết luận: Sđáy = Snắp = 3 mm

Nhiệt độ tính toán: t = tw + 20 o C = 119,36 o C Áp suất tính toán: P = Pthủy tĩnh + Pgờ

Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3mm

Thể tích của gờ chảy tràn: V = Lgờ.hgờ.0,003

Cấu tạo mâm lỗ: Tra bảng XII.7/313 TLTK [2] ta được: khối lượng riêng của thép X18H10T: ρX18H10T = 7900 (kg/m 3 )

Khối lượng gờ chảy tràn: m = V ρX18H10T = 4,5.10 -5 7900 = 0,356 (kg) Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn:

Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp: Tra khối lượng riêng tại Ttb = 99,36℃: (Tra bảng I.2 trang 9, TLTK [1])

Khối lượng riêng của methanol: ρMe = 714,74 kg/m 3

Khối lượng riêng của nước: ρN = 958,48 kg/m 3 Áp dụng công thức IX.104a/183 TLTK [2]:

→ ρ LW = 956,30 (kg/m 3 ) Áp suất thủy tĩnh: Pthủy tĩnh = ρLW.g.(hgờ + ∆hlChưng)

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường: Chọn thiết bị làm việc trong 15 – 20 năm, tốc độ ăn mòn nhỏ hơn 0,1 mm/năm

→ Ca = 1 (mm) Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: Vì vật liệu là X18H10T → [σ] ∗ = 142 ( N mm 2 ) (Hình 1.1/18 TLTK [1])

→ Ứng suất cho phép: [σ] = 𝜂 [σ] ∗ = 142 ( N mm 2 )

Mô đun đàn hồi: E = 2,1.10 5 (N/mm 2 ) (Bảng 2.29/45 TLTK [4])

Hệ số Poatxông: μ = 0,33 (Bảng XII.7/313 TLTK [2])

Tính bề dày Ứng suất cực đại ở vòng chu vi: Đối với bản tròn đặc ngầm kẹp chặt theo chu vi:

S) 2 (Công thức 6.36/100 TLTK (8)) Đối với bản đục lỗ: σ l max = σ max φ b = 3P

Kiểm tra điều kiện bền: Độ võng cực đại ở tâm: W o = PR 4

64D t Đối với bản đục lỗ:

16.PR 4 (1 − μ 2 ) φ b ES 3 Để đảm bảo điều kiện bền thỡ: Wlỗ < ẵ S ⇒ Wlỗ < ẵ 3 = 1,5

→ Bề dày S đã chọn thỏa điều kiện.

Bích ghép thân, đáy và nắp

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

− Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

Bích tự do được sử dụng chủ yếu để nối các ống dẫn hoạt động ở nhiệt độ cao, liên kết các bộ phận bằng kim loại màu hoặc hợp kim của chúng Ứng dụng điển hình là chế tạo mặt bích bằng vật liệu bền hơn so với thiết bị được kết nối.

− Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ (Vì bích liền không cổ là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc, rèn) Loại bích này chủ yếu dung cho thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

Hình 5.2 Mối hàn dưới bích ghép thân – đáy – nắp

Theo bảng XIII.27/419, tài liệu tham khảo [2], với Dt = 800 (mm) và áp suất tính toán Ptt 0,095 (N/mm 2 ) ta chọn bích có các thông số sau:

Bảng 5.1 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của bích ghép thân, đáy và nắp

Tra bảng IX.5/170 TLTK [2], với Dt = 800mm, ∆h = 500 mm, suy ra:

− Chọn số mâm giữa 2 mặt bích là: 3 mâm

− Khoảng cách giữa hai mặt nối bích là 1500 mm

→ Số mặt bích cần dùng để ghép là: ( 18

52 Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là 6 (mm).

Bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn

Ống dẫn sử dụng mối ghép tháo được Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T

Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Tra khối lượng riêng tại tFS = 83,79℃: (Tra bảng I.2 trang 9, TLTK [1])

969,55 ⇒ ρ F = 896,79 ( kg m 3 ) Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là: vF = 2 (m/s) (Bảng II.2/370 TLTK [1]) Đường kính ống nhập liệu:

Chọn ống có: Dy = 25 (mm)

→ Chiều dài ống nối lF = 90 (mm) (Bảng XIII.32/434 TLTK [2])

Tra bảng XIII.26/410 TLTK [2], ta có các thông số của ống tương ứng với P = 0,095 N/mm 2 được trình bày ở bảng sau:

Bảng 5.2 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống nhập liệu 5.3.2 Ống dẫn hơi ở đỉnh tháp

Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:

Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức:

Thay số vào, ta được:

Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vhĐỉnh = 25 (m/s)

54 Đường kính trong của ống dẫn hơi:

→ Tra bảng XIII.32/434 TLTK [2], ta có l = 130 (mm)

Bảng 5.3 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống dẫn hơi ở đỉnh tháp

Tra khối lượng riêng tại tLD = 65,85℃: (Tra bảng I.2 trang 9, TLTK [1])

980,04 ⇒ ρ F = 759,29 ( kg m 3 ) Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là: vLD = 2 (m/s) (Bảng II.2/370 TLTK [1]) Đường kính ống hoàn lưu:

Bảng 5.4 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống hoàn lưu

5.3.4 Ống dẫn hơi ở đáy tháp

Nồng độ của pha hơi ở đáy tháp:

Khối lượng riêng của hơi ở đáy tháp được tính theo công thức:

Thay số vào, ta được:

Chọn vận tốc hơi ở đáy tháp: vhĐáy = 25 (m/s) Đường kính trong của ống dẫn hơi:

Bảng 5.5 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của dẫn hơi ở đáy tháp

5.3.5 Ống dẫn lỏng vào nồi đun

Tra khối lượng riêng tại tLW = 99.36℃: (Tra bảng I.2 trang 9, TLTK [1])

958,47 ⇒ ρ F = 956,29 ( kg m 3 ) Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là: vLW = 2 (m/s) (Bảng II.2/370 TLTK [1]) Đường kính ống hoàn lưu:

57 Chọn ống có: Dy = 25 (mm)

Bảng 5.6 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống dẫn lỏng vào nồi đun

Chân đỡ

5.4.1 Trọng lượng của toàn tháp

Tra bảng XII.7, trang 313, TLTK [2], ta có:

- Khối lượng của một bích ghép thân (thép X18H10T, ρX18H10T = 7900 (kg/m 3 )): m 1 =π

- Khối lượng của một mâm (ρX18H10T = 7900 (kg/m 3 ): m 2 = π

- Khối lượng của thân tháp m 3 = π

- Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m 4 = 𝑆 đá𝑦 𝛿 đá𝑦 ρ X18H10T = 0,76 0,003 7900 = 18,012 (𝑘𝑔)

- Khối lượng lỏng trong tháp

Trong trường hợp xấu nhất, chất lỏng đầy tháp m 5 =ρ tb πD t 2

Khối lượng của toàn tháp: m = 7.2.m1 + 18.m2 + m3 + 2m4 + m5

Vậy trọng lượng của toàn tháp: P = m.g = 5783,584 9,81 = 56735,96 (N)

Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân

Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3

Tải trọng cho phép trên một chân: G C = P

4 = 14184,24 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: GC = 2,5.10 4 (N)

Tra bảng XIII.35/437 TLTK [2], ta được bảng sau:

Bảng 5.7 Kích thước kỹ thuật của chân đỡ tháp

Thể tích một chân đỡ:

Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = Vchân đỡ CT3 = 3,82.10 – 3 7850 = 29,987 (kg)

Lớp cách nhiệt

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 cách nhiệt cho thân tháp là amiang có bề dày là 𝛿a

Hệ số dẫn nhiệt của amiang là:

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

Nhiệt tải mất mát riêng: q m = Q m f tb = λ a δ a (t v1 - t v2 )=λ a δ a ∆t v (W/m 2 )

Tải trọng cho phép trên 1 bề mặt đỡ q.10 -6 , N/m 2

60 Trong đó: tv1: nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài của tháp tv2: nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí

∆tv: hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt của lớp cách nhiệt Để an toàn ta lấy Δtv = Δtmax = tđáy – tkk

Chọn tkk = 35℃ → Δtv = Δtmax = 99,36 – 35 = 64,36 o C ftb: Diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt) (m 2 ) f tb = π.D tb H = π D t + D 2 n H = π 2D t + 2S 2 thân + 2δ a H = π.(D t + S thân + δ a ).H

Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng:

Kính quan sát

Chọn kính quan sát có các thông số sau:

− Đường kính trong Dqst = 100 (mm)

− Đường kính ngoài Dqsn = 180 (mm)

− Số bulông gắn kính với tháp z (bulông)

− Đường kính bulông db = M8 (mm)

− Khoảng cách giữa 2 bulông đối nhau qua tâm h = 160 (mm)

Chọn số lượng kính quan sát là 3 (kính) đặt tại các vị trí : ống nhập liệu, ống hoàn lưu và ống dẫn hơi vào đáy tháp

61 Chiều cao của thân tháp:

1 ) Hthân = 10,0 (m) Chiều cao đáy (nắp):

Bề dày đáy và nắp thiết bị: Sđ = Sn = 3 (mm)

Bề dày mâm: Smâm = 3 (mm)

Chọn số mâm giữa 2 mặt bích: 3 mâm

Khoảng cách giữa hai mặt nối bích: 1500 mm

Số mặt bích cần dùng: 14 Đường kính ống nhập liệu:

DF = 25 (mm) Đường kính ống dẫn hơi ở đỉnh tháp:

DhĐỉnh = 150 (mm) Đường kính ống hoàn lưu:

62 Đường kính ống dẫn hơi ở đáy tháp:

DhĐáy = 150 (mm) Đường kính ống dẫn lỏng vào nồi đun:

Khối lượng của một bích ghép thân: m 1 =π

Khối lượng của một mâm: m 2 =π

Khối lượng của thân tháp m 3 =π

Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m 4 = 𝑆 đá𝑦 𝛿 đá𝑦 ρ X18H10T m4 = 18,012 (kg)

Khối lượng lỏng trong tháp: m 5 =ρ tb πD t 2

Khối lượng của toàn tháp: m = 7.2.m1 + 18.m2 + m3 + 2m4 + m5 m = 5783,584 (kg)

Khối lượng chân đỡ tháp: mchân đỡ = 29,987 (kg)

Bề dày: δa = 2,5 mm Thể tích vật liệu cách nhiệt: 0,064 m 3

Bảng 5.8: Tóm tắt các thông số cơ khí của tháp

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại nằm ngang

Chọn đường kính ngoài của ống: dn = 0,038 (m), loại 38x3 mm Ống truyền nhiệt được làm bằng: thép X18H10T Đường kính ngoài: dn = 38 mm = 0,038 m

Bề dày ống: t = 3 mm = 0,003 m Đường kính trong: dtr = 0,032 m

Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu: t1 = 20 o C, nhiệt độ cuối: t2@ o C Nhiệt độ trung bình: t tbN =t 1 + t 2

2 = 30 o C Tra TLTK [1] tại ttb = 30 o C, ta có:

− Nhiệt dung riêng: cN = 4,178 (kJ/kg.độ) (Bảng I.135/172 TLTK [1])

− Khối lượng riêng: ρN = 995.51 (kg/m 3 ) (Bảng I.2/9 TLTK [1])

− Độ nhớ động lực: μN = 0,801.10 -3 (N.s/m 2 ) (Bảng I.102/94 TLTK [1])

− Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆N = 0,62 (W/m.K) (Bảng I.130/135 TLTK [1]

− Chuẩn số Prandtl: PrN = 5,5 (Hình V.12/12 TLTK [2]) Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ tDe,85 0 C

6.1.1 Xác định hệ số truyền nhiệt

Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:

∆tlog: nhiệt độ trung bình logarit

64 Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều:

tlog = (t D −t 1 )−(t D −t 2 ) ln( tD−t1 tD−t2 ) = (65,85−20)−(65,85−40) ln( 65,85−20 65,85−40 ) = 34,90 (K)

Xác định hệ số truyền nhiệt K:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức 3.11:

Với: α N : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh (W/m 2 o K) α nt : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ (W/m 2 o K)

∑ r t : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu

❖ Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống αN:

Tra bảng (TLTK [1] bảng II.2/370) với vận tốc chất lỏng tự chảy chọn vận tốc nước đi trong ống vN = 0,5 m/s:

Số ống trong một đường nước: nN = G N ρ N 4 πd tr 2 v N = 6,53

Vận tốc thực tế của dòng nước trong ống: vN = 4𝐺 𝑁

Chuẩn số Reynolds: ReN = v N d tr ρ N μ N = 0,43 0,032 995,51

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

Xác định chuẩn số Nusselt:

Pr w) 0,25 (Công thức V.40/14 TLTK [2]) Trong đó:

𝜀 1 : hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỷ lệ giữa chiều dài L với đường kính d của ống:

PrN: chuẩn số Prandtl của nước ở 30 o C, nên PrN = 5,5 (hình V.12/12 TLTK [2])

Prw: chuẩn số Prandtl của nước ở nhiệt độ trung bình của vách

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: αN = Nu N  N d tr = 162,96 0,62

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: qN = αN (tW2 – ttbN) = 3157,35

𝑃𝑟 𝑊 0,25 (tW2 – 30) (6.1) Với: tW2 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống), ℃

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn: q t = t w1 −t w2

∑ r t , ( W m 2 ) Trong đó: tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, 0 C (ngoài ống) tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước lạnh, o C (trong ống)

Bề dày thành ống: t = 3 (mm)

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ X18H10T: λt = 16,3 W/(m.độ) (bảng XII.7/313 TLTK [2])

Nhiệt trở của lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 (m 2 K/W) (Bảng 31/419 TLTK [3])

Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 = 1/5800 (m 2 K/W) (Bảng 31/419 TLTK [3])

Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ:

− Ngưng tụ hơi bão hoà

− Không chứa không khí không ngưng

− Hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống

− Màng chất ngưng tụ chảy rối

Sự ngưng tụ hơi trên bề mặt ngoài của ống đơn chiếc nằm ngang (Công thức 3.65/120 TLTK [3]): αnt = 0,725 x 4 √ r nt  nt 3 ρ nt 2 μ nt (t D −t W1 )d n Đặt: A = 0,725 √ r R λ R 3 ρ R 2 μ R d ng

Để kiểm tra hệ số cấp nhiệt của Methanol, cần phải tính đến ảnh hưởng của sự sắp xếp và bố trí ống Trong nghiên cứu này, cách xếp ống thẳng hàng và bố trí theo dạng lục giác đều được lựa chọn Với 19 ống, ta có n = 3a(a – 1) + 1 = 19, suy ra a = 3.

Số ống trên đường chéo của đường 6 cạnh: b = 2a – 1 = 5 ống (Công thức V.139/48 TLTK [2]) Ẩn nhiệt ngưng tụ rnt = rD = 1163,18 kJ/kg (Theo chương 3)

Nhiệt tải ngoài thành ống: qnt = αnt(65,85-tW1) = A(65,85-tW1) 0,75 (6.3)

Các tính chất lý học của Methanol ngưng tụ ứng với nhiệt độ trung bình: t tbD =t D + t w1

67 Tra khối lượng riêng tại ttbD = 57,88℃: (Tra bảng I.2 trang 9, TLTK [1])

− Khối lượng riêng của methanol: ρMe = 757,98 kg/m 3

− Khối lượng riêng của nước: ρN = 984,04 kg/m 3 Áp dụng công thức IX.104a/183 TLTK [2]:

Tra bảng I.101/91, TLTK [1] và nội suy giá trị độ nhớt với nhiệt độ t tbD = 57,88 o C, ta có:

− Độ nhớt methanol μ Me = 0,4828 (cP)

− Độ nhớt của nước μ N =0,35 (cP) Độ nhớt của hỗn hợp (Công thức I.12/84, TLTK [1]) log μ tbD = x D log μ Me +(1- x D ) log μ N log μ hh = 0,91log(0,35)+(1-0,91).log(0,4828)

− Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,656 (W/m.K) (Bảng I.130/133 TLTK [1])

− Hệ số dẫn nhiệt của Methanol: Me = 0,128 (W/m.K) (Bảng I.130/135 TLTK [1]) Áp dụng công thức I.33/124 TLTK [1]:

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qnt = 19803,06 (W/m 2 )

2 = 44,39 ℃ Dựa vào bảng V.12/12 TLTK [2] suy ra: Prw= 4

Kiểm tra sai số: ε = |q N −q nt | q nt 100 = 0,11% < 5%: 𝑇ℎỏ𝑎 Vậy: tw1 = 49,9 o C và tw2 = 38,88 o C

6.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị

Bề mặt truyền nhiệt trung bình:

Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt:

So với L = 2,5 m thì số đường nước là

L = 22 2,5~ 9 (đường nước) Khi đó số ống tăng lên 10 lần: n = 9.19 = 171 (ống)

69 Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của Methanol khi có kể đến sự ảnh hưởng của sự sắp xếp, bố trí ống Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng lục giác đều, vậy với 217 ống thì ta sắp xếp được 9 hình lục giác

Khi đó chiều dài ống truyền nhiệt:

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống có n = 217 ống và L = 2,5 m

Số ống trên đường chéo xuyên tâm của hình sáu cạnh đều: b = 17 (ống)

Chọn bước ống: t = 1,4.dng = 1,4 0,038 = 0,0532 (m) Áp dụng công thức V.140/49 TLTK [2], đường kính thiết bị trao đổi nhiệt:

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị làm nguội sản đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 38x3, kích thước ống ngoài: 57x3 Ống trong:

− Đường kính trong dtr = 0,032 m Ống ngoài:

− Nước làm lạnh đi trong ống 38x3 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t1 = 20 o C, nhiệt độ cuối t2 = 40 o C

− Sản phẩm đỉnh đi trong ống 57x3 (ống ngoài) với nhiệt độ đầu tD = 65,85 o C, nhiệt độ cuối t’D = 35 o C

Các tính chất lý học của nước làm lạnh ứng với nhiệt độ trung bình: t tbN = t 1 +t 2

− Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆N = 0,62 (W/m.K) (Bảng I.130/135 TLTK [1])

− Chuẩn số Prandtl: PrN = 5,5 (Hình V.12/12 TLTK [2]) Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ: tD= 65,85 o C

Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ trung bình: t tbD =t D + t′ 𝐷

− Nhiệt dung riêng: cD = 2,79 (kJ/kg.độ) (Bảng I.154/172 TLTK [1])

− Khối lượng riêng: ρD = 976,42 (kg/m 3 ) (Bảng I.2/9 TLTK [1])

− Độ nhớ động lực: μD = 0,36.10 -3 (N.s/m 2 ) (Bảng I.101/91 TLTK [1])

− Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆D = 0,23 (W/m.K) (Bảng I.130/134 TLTK [1])

Suất lượng sản phẩm đỉnh: GD = 644,74 ( kg h) Lượng nhiệt cần tải:

Suất lượng nước cần dùng:

71 Với: K: hệ số truyền nhiệt

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:

Với: αN: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 K) αD: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m 2 K)

rt: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu

Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:

Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài: v D =G D ρ D 4 π (D tr 2 − d ng 2 ) = 644,74

3600.976,42 4 π (0,051 2 − 0,038 2 ) = 0,2 (m/s) Đường kính tương đương: dtd = Dtr – dng = 0,051 – 0,038 = 0,013 (m)

Ta thấy 2300 < ReD < 10000: Cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy quá độ

Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:

𝑃𝑟 𝑤1) 0,25 (Công thức V.44/16 TLTK [2]) Trong đó:

𝜀1: hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỉ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống L d tr = 2,5

0,051 = 49 → εl ~ 1 ko = 23,95 (Nội suy theo bảng trang 16 TLTK [2])

PrD: chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 65,85 o C nên:

PrW1: chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài: α D = Nu D λ D d td = 65,29.0,23

Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh: q D = α D (t tbD − t w1 ) = 1155,13

Pr w1 0,25 (50,43 − t w1 ) (W/m 2 ) (6.7) Với tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh ( o C)

Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:

Vận tốc nước đi trong ống: v N =G N ρ N 4 π d tr 2 = 0,2

Ta thấy 2300 < ReD < 10000: Cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy quá độ

𝑃𝑟 𝑤2 ) 0,25 (Công thức V.44/16 TLTK [2]) Trong đó: 𝜀1: hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỉ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống L d tr = 2,5

0,032 = 78,125 > 50 thì εl = 1 ko = 30,60 (Nội suy theo bảng trang 16 TLTK [2])

PrN: chuẩn số Prandtl của nước ở 30 o C nên PrN = 5,5 (Hình V.12/12 TLTK [2])

Prw2: Chuẩn số Prandtl của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N = Nu N λ N d tr = 97,54.0,62

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N = α N (t w2 − t tbN ) = 1889,84

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t =t w1 − t w2

Trong đó: tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ) ( o C)

Nhiệt trở của lớp cáu trong ống : r1 = 1/5000 (m 2 K/W) (Bảng 31/419 TLTK [3])

Nhiệt trở lớp cáu phía ngoài ống: r2 = 1/5800 (m 2 K/W) (Bảng 31/419 TLTK [3])

Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ sản phẩm đỉnh tại 39,6 o C:

− Nhiệt dung riêng: c D = 2743,47 (J 𝑘𝑔⁄ độ) (Bảng I.153/172 TLTK [1])

− Độ nhớt động lực: μ D = 0,464 10 −3 (N s m 2 ) (Bảng I.101/91 TLTK [1])

− Hệ số dẫn nhiệt: λ D =0,14 (W/m.K) (Bảng I.130/134 TLTK [1])

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qD = 7204,74 (W/m 2 )

Với ttbW = 37,6 o C, ta có: Prw2 = 4,65 (Hình V.12/12 TLTK [2])

Từ (6.5), hệ số truyền nhiệt:

6.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt:

Từ (6.4), bề mặt truyền nhiệt trung bình:

F tb = 59947,92.1000 3600.349,69 19,94= 2,39 (m 2 ) Chiều dài ống truyền nhiệt:

Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 25 (m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 2,5 m.

Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

Chọn nồi đun sản phẩm đáy là nồi kettle (thiết bị dạng ống chùm), ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 38x3 (mm) Đường kính ngoài: dng = 38 (mm) = 0,038 (m) Đường kính trong của ống: dtr = 32 (mm) = 0,032 (m)

76 Hơi đốt là hơi nước ở 2 at đi trong ống 38x3 Tra bảng I.251/314 TLTK [1], ta có:

− Ẩn nhiệt ngưng tụ: rN = 2208 (kJ/kg)

Dòng sản phẩm tại đáy có:

− Trước khi vào nồi đun (lỏng): xl = 0,0096 pmol → ts1 = 98,38 o C

− Sau khi được đun sôi (hơi): ts2 = 99,36 o C

Suất lượng hơi nước cần dùng: D2 = 986,44(kg/h) = 0,274 (kg/s)

6.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt:

𝑲.𝜟𝒕 𝒍𝒐𝒈 , (m 2 ) (6.11) Với: K: hệ số truyền nhiệt

tlog: nhiệt độ trung bình logarit

Xác định t log : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:K = 1 1 α N +Σr t + α 1

Với: N: hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m 2 K)

D: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/m 2 K)

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước:

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:

Với: tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước(trong ống)

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

Nhiệt tải phía hơi: q N = N (t aN − t W1 ) = 66,08 A (119,6 − t W1 ) 0,75 (W/m 2 ) (6.13)

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t = t w1 −t w2 Σr t , (W/m 2 )

Trong đó: tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống) Σr t = δ t λ t + r 1 + r 2

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 (W/mK) (Bảng XII.7/313 TLTK [2])

Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m 2 K/W)

Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đáy: r2 =1/5800(m 2 K/W)

Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy:

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (chế độ sôi sủi bọt) được xác định theo công thức V.89/26 TLTK [2]: α W = 0,77.10 −2 ( ρ h r ρ−ρ h )

Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm ngoài ống:

2 = 98,87 𝑜 𝐶 = 371,87 𝐾 Tại nhiệt độ sôi trung bình 98,87 o C thì:

Khối lượng riêng pha hơi trong dòng sản phẩm ngoài ống:

273 371,87= 0,59 (kg/m 3 ) Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng: 𝜌 = 957,21 (kg/m 3 ) Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: μ = 0,00032 (N.s/m 2 )

Sức căng bề mặt của hỗn hợp: σ = 0,0125 (N/m)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: Cp = 4218,74 (J/kg.K)

Nhiệt hóa hơi hỗn hợp: r = 2253,08 (kJ/kg)

Khi đó, nhiệt độ trung bình ttb = 𝑡 𝑠𝑁 +𝑡 𝑤1

2 = 118,94 𝑜 𝐶 Tra bảng TLTK [1] tại nhiệt độ ttb = 118,94 o C:

Khối lượng riêng của nước: 𝜌N = 943.8 (kg/m 3 ) Độ nhớt của nước: μ = 0,00023 (N.s/m 2 )

79 Nhiệt hóa hơi của nước: r = 2209968 (J/kg)

Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể → qt = qN = 27056,44 (W/m 2 )

Thay các giá trị ta được hệ số truyền nhiệt:

Bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 2428038,183.1000

3600.1304,79.20,73 = 24,94 (m 2 ) Chọn số ống truyền nhiệt là 61 ống

Chiều dài ống truyền nhiệt:

Vậy: Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với số ống na, chiều dài ống truyền nhiệt là L= 4,5m Ống được bố trí theo hình lục giác đều Nên ta có số ống trên đường chéo hình lục giác là b = 9 ống Chọn bước ngang giữa 2 ống: T = 1,4.dng = 1,4.0,038 = 0,0532 (m) Đường kính vỏ thiết bị: DV=t.(b-1) + 4.dng=0,0532.(9-1)+4.0,038 = 0,58(m)

Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T

Dòng nhập liệu đi trong ống 38x3 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t’F ( o C, nhiệt độ cuối: tF

Chọn hơi đốt là hơi nước 2 at, đi trong ống 57x3 (ống ngoài) Tra tài liệu tham khảo [1], ta có:

− Ẩn nhiệt ngưng tụ: rN = 2208 (KJ/kg)

Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình: ttbF = 𝑡′ 𝐹 +𝑡 𝐹

− Khối lượng riêng: ρN = 917,05 (kg/m 3 ) (Bảng I.2/9 TLTK [1])

− Độ nhớt động lực: μN = 0,474.10 -3 (N.s/m 2 ) (Bảng I.102/94 TLTK [1])

6.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt:

Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = 𝑸 𝒕

𝑲.𝜟𝒕 𝒍𝒐𝒈 , (m 2 ) Với: K: hệ số truyền nhiệt

tlog: nhiệt độ trung bình logarit

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: 𝐾 = 1 1

81 Với: F: hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m 2 K)

N: hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m 2 K)

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

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống trong: v F = 4 F̅

Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nu N = 0,021 ε 1 Re 0,8 Pr N 0,43 ( Pr N

Pr w ) 0,25 Trong đó: l: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReWX195,92, chọn: l =1

PrF: chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 55,9 o C, nên PrF = 𝐶 𝐹 𝜇 𝐹

Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ: 𝛼 𝐹 = Nu F λ F d tr = 349,57.0,45

Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F = α F (t W2 − t tbF ) = 4915,83

Pr 0,25 W2 (t W2 − 55,9)(W/m 2 ) (6.16) Với tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ)

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: 𝑞 𝑡 = 𝑡 𝑤1 −𝑡 𝑤2

Trong đó: tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngoài ống nhỏ)

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 (W/mK) (Bảng XII.7/313 TLTK [2])

Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m 2 K/W)

Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đáy: r2 =1/5800(m 2 K/W)

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước trong ống ngoài: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,051- 0,038 = 0,013 (m)

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức: α N = 0,725 A ( r N

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

Nhiệt tải phía hơi nước: q N = α N (t sN − t W1 ) = 82,77 A (119,6 − t W1 ) 0,75 (W/m 2 ) (6.18)

Khi đó, ở nhiệt độ trung bình ttb= 119,6+112,2

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qW = 69132,64 (W/m 2 )

Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 92.97 o C:

− Nhiệt dung riêng: cR = 3891,695 (J/kg.độ) (Bảng I.153/172 TLTK [1])

− Độ nhớt động lực: R = 0,29.10 -3 (N.s/m 2 ) (Bảng I.101/91 TLTK [1])

− Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,46 (W/m o K) (Bảng I.130/134 TLTK [1])

Bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 809830,35.1000

Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt: L = 3,48 π 0,032+0,038 2

Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 35 (m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 3,5 (m).

Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt kiểu ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm băng thép X18H10T kích thước:

Chọn nước làm lạnh đi trong ống trong có nhiệt độ vào t1 = 20 o C, nhiệt độ ra là t2 = 40 o C

Các tính chất lý học của nước làm lạnh ứng với nhiệt độ trung bình: t tbN = t 1 +t 2

− Chuẩn số Prandtl: PrN = 5,5 (Hình V.12/12 TLTK [2])

Sản phẩm đáy đi giữa hai ống có nhiệt độ đầu vào tw = 99,36 o C và nhiệt độ đầu ra tC = 35 o C Các tính chất lý học của dòng sản phẩm đáy ứng với nhiệt độ trung bình:

2 = 67,2 o C Khối lượng riêng: 𝜌W = 977,32 (kg/m 3 ) (Bảng I.2/9 TLTK [1]) Độ nhớt: μW = 0,00042(N.s/m 2 ) (Bảng I.101/91 TLTK [1])

Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆W = 0,656 (W/m.K) (Bảng I.130/134 TLTK [1])

Nhiệt dung riêng: CW = 4179,8 (J/kg.K) (Bảng I.153/172 TLTK [1])

Ta có nhiệt lượng cần để là nguội sản phẩm đáy:

Với: K: hệ số truyền nhiệt

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:

Với: αN: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 K)

85 αD: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m 2 K)

Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy ở ống ngoài:

Vận tốc của sản phẩm đáy đi trong ống ngoài: v W =G W ρ W 4 π (D tr 2 − d ng 2 )= 1855,26

3600.977,32 4 π (0,051 2 − 0,038 2 ) = 0,58 (m/s) Đường kính tương đương: dtd = Dtr – dng = 0,051 – 0,038 = 0,013 (m)

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

Xác định chuẩn số Nusselt:

Pr w1) 0,25 (Công thức V.40/14 TLTK [2]) Trong đó:

𝜀 1 : hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỷ lệ giữa chiều dài L với đường kính d của ống ReW > 10000, chọn 𝜀 1 = 1

PrN: chuẩn số Prandtl của sản phẩm đáy ở 74,017 o C nên:

Prw: chuẩn số Prandtl của nước ở nhiệt độ trung bình của vách

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống ngoài:

Pr w1 0,25 (W/m 2 K) Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: q W = α 𝑊 (t tbW − t w1 ) = 5148,09

Pr w1 0,25 (67,2 − t w1 ) (W/m 2 ) (6.21) Với tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh ( o C)

Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:

Vận tốc nước đi trong ống: v N =G N ρ N 4 π d tr 2 = 1,66

Ta thấy ReD > 10000: Cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối

Pr w1 ) 0,25 (Công thức V.40/14 TLTK [2]) Trong đó:

𝜀1: hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỉ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống 𝑅𝑒 > 10000 thì εl = 1

PrN: chuẩn số Prandtl của nước ở 30 o C nên PrN = 5,5 (Hình V.12/12 TLTK [2])

Prw2: Chuẩn số Prandtl của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:

Pr w2 0,25 (W/m 2 K) Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N = α N (t w2 − t tbN ) = 11100,33

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t = t w1 −t w2

Trong đó: tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ) ( o C)

Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m 2 K/W) (Bảng 31/419 TLTK [3])

Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5800 (m 2 K/W) (Bảng 31/419 TLTK [3])

Các tính chất lý học của sản phẩm đáy ứng với nhiệt độ sản phẩm đáy tại 57,0664 o C:

− Nhiệt dung riêng: c W = 4179,35 (J 𝑘𝑔⁄ độ) (Bảng I.153/172 TLTK [1])

− Độ nhớt động lực: μ W = 0,49 10 −3 (N s m 2 ) (Bảng I.101/91 TLTK [1])

− Hệ số dẫn nhiệt: λ W =0,65 (W/m.K) (Bảng I.130/134 TLTK [1])

88 Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qW = 39004,42 (W/m 2 )

Bề mặt truyền nhiệt trung bình:

Chiều dài ống truyền nhiệt:

Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 42 (m), chia thành 14 dãy, mỗi dãy dài 3m.

Bơm nhập liệu

1000.η kW (công thức II.189/439 TLTK [1])

H – cột áp của bơm; m η – hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75 ρ – khối lượng riêng của dung dịch Methanol 25% khối lượng ở 28 o C

Khối lượng riêng của Methanol: ρme = 784,8 kg/m 3

Khối lượng riêng của nước: ρn= 995,6 kg/m 3

Q – lưu lượng thể tích của dung dịch Methanol 25% khối lượng được bơm vào thiết bị gia nhiệt; m 3 /s

932,95.3600 = 0,00074 m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) và 2 –2 (mặt thoáng của thiết bị gia nhiệt):

Trong đó: v1 = v2 = 0 m/s p1 = 1 at p2 = 2 at μ = 0,00077 Ns/m 2 – độ nhớt động lực của dung dịch Methanol 25% khối lượng ở 28 o C (bảng I.101/91TLTK [1]) z1 = 2,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu đến mặt đất z2 = 5 m – khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị gia nhiệt đến mặt đất

Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị gia nhiệt là l = 15 m

Tốc độ của dòng chảy trong ống: v = Q

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15/381 TLTK [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm

Regh được tính theo công thức II.60/ 378 TLTK [1]:

0,0002) 8/7 = 2557,99 Ren được tính theo công thức II.62/379 TLTK [1]:

⇒ Regh < Re < Ren (khu vực quá độ)

⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64/ 380 TLTK [1]: λ = 0,1 (1,46 ε d+ 100

Các hệ số trở lực cục bộ:

Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1

⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 = 𝑣

Vậy chọn bơm định lượng có công suất tối thiểu là 0,164 hP

Bơm hoàn lưu

1000.η kW (công thức II.189/439 TLTK [1])

H – cột áp của bơm; m η – hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75 ρ = kg/m 3 – khối lượng riêng của dung dịch Methanol 95% khối lượng ở 65,85 o C (tra bảng I.2/9 TLTK [1])

+Khối lượng riêng của methanol: ρme = 750,15 (kg/m 3 ) (bảng I.2/9)

+ Khối lượng riêng của nước: ρn = 979,78 (kg/m 3 ) (bảng I.2/9)

Q – lưu lượng thể tích của dung dịch Methanol 95% khối lượng được bơm vào tháp chưng cất; m 3 /s

933,27.3600 = 0,00031 m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa dòng hoàn lưu ) và 2 – 2 (mặt thoáng của mâm hoàn lưu):

93 p2 = 0,97 at μ (Ns/m 2 ) - độ nhớt động lực của dung dịch Methanol 95% khối lượng ở 65,85 o C (bảng I.101/92 TLTK [1]) Độ nhớt của methanol: me = 0,35.10 -3 N.s/m 2 Độ nhớt của nước: nước = 0,436.10 -3 N.s/m 2 log 𝜇 = 𝑥 𝐷 log 𝜇 𝑚𝑒 + (1 − 𝑥 𝐷 ) log 𝜇 𝑛 = 0,91 log(0,35 10 −3 ) + (1 − 0,91) log(0,436 10 −3 )

→ 𝜇 = 0,36 10 −3 (N s/m 2 ) z1 = 2,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa dòng hoàn lưu đến mặt đất z2 = 10 m – khoảng cách từ mặt thoáng của mâm hoàn lưu đến mặt đất

Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến mâm hoàn lưu là l = 10 m

Tốc độ của dòng chảy trong ống: v = Q

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15/381 TLTK [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm

Regh được tính theo công thức II.60/ 378 TLTK [1]:

0,0002) 8/7 = 2557,99 Ren được tính theo công thức II.62/379 TLTK [1]:

⇒ Regh < Re < Ren (khu vực quá độ)

⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64/ 380 TLTK [1]: λ = 0,1 (1,46 ε d+ 100

Các hệ số trở lực cục bộ:

Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1

⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 = 𝑣

Vậy chọn bơm định lượng có công suất tối thiểu là 0,0295 hP

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh − L = 25 m, 10 dãy, mỗi dãy dài 2,5 m

Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

Thiết bị gia nhiệt nhập liệu − L = 35m, 10 dãy, mỗi dãy dài 3,5 m

Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy − L = 42 m, 14 dãy, mỗi dãy dài 3 m

Bảng 6.1: Bảng thông số các thiết bị phụ

− Số ống là n, chiều dài là L

− Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt: D

− Vật liệu cách nhiệt cho thân tháp là amiăng có bề dày là: a

− Chiều cao bồn cao vị:Hcv

TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

Lượng thép CT3 cần dùng:

Khối lượng bích nối các ống dẫn: mbích nối các ống dẫn = π 4 [∑(D 2 -D y 2 ).h].ρ CT3

𝑚 𝐶𝑇3 = 4 𝑚 𝑐ℎâ𝑛 đỡ +mbích nối các ống dẫn

Số lượng bu lông cần dùng:

Số lượng bu lông cần dùng bằng tổng của số bu lông bích ghép thân – đáy – nắp, số bu lông bích ghép ống dẫn, số bu lông ghép mâm với tháp và số bu lông ghép thân với kính quan sát

Nbu lông = 7.24 + (4 + 8 + 4 + 8 + 4) + 5.18 + 16.3 = 334 (cái) Trong đó: Bích ghép thân – đáy – nắp sử dụng bu lông M20 và cần 7.24 = 168 cái

Loại bu lông M16 là: 8.2 = 16 cái

Loại bu lông M10 là: 4.3 = 12 cái

Loại bu lông M8 là: 16.3 + 5.18 = 138 cái

Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng:

Thốn số kính quan sát

Kính quan sát đặt ở vị trí mâm có ống hoàn lưu, mâm nhập liệu và mâm đáy có đường kính

Chiều dài ống có đường kính 38 mm:

L38 = LNTSPĐỉnh + LLNSPĐáy + LNồi đun + LLNSPĐỉnh + LGNNL

Chiều dài ống dẫn đường kính 57 mm:

98 Chi tiết Số lượng Đơn giá (VND) Thành tiền (VND)

Vật liệu cách nhiệt 0,064 5.000.000 VND/m 3 320.000

Kính quan sát 3 2.000.000 VND/cái 6.000.000

Bơm hoàn lưu 1 10.000.000 VND/cái 10.000.000

Bơm nhập liệu 2 50.000.000 VND/cái 100.000.000

Lưu lượng kế 2 3.500.000 VND/cái 7.000.000

Nhiệt kế điện tử 8 3.500.000 VND/cái 28.000.000

Van 40 2.500.000 VND/cái 100.000.000 Ống Φ38 932,5 60.000 VND/m 55.950.000 Ống Φ57 341,5 90.000 VND/m 30.735.000

Bảng 7.1 Bảng thống kê chi phí vật liệu

Như vậy, số tiền cần đầu tư mua thiết bị là: 441.558.360 VND

Tổng chi phí lắp đặt và mua thiết bị thường gấp 2 – 4 chi phí mua sắm thiết bị:

Suy ra, chi phí đầu tư là: 441.558.360 x 3  1.324.675.080 VND

Trên đây chỉ là chi phí dự tính, chi phí thực tế sẽ có thể chênh lệch

Tiêu đề	Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ Methanol – Nước nhập liệu ở áp suất thường
Tác giả	Nguyễn Văn Thức, Dương Gia Huy
Người hướng dẫn	TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Chuyên ngành	Công nghệ Hóa học
Thể loại	Đồ án môn học
Năm xuất bản	2023
Thành phố	TP. HCM

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	1,54 MB