Thiết kế tháp chưng cất hệ nước acid acetic hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 0,8 m3h có nồng độ 88% khối lượng nước ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 99,5%

LỜI MỞ ĐẦUNgày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹû sư hoá thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹû thuật thực tế một cách tổng hợp.Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ nước – acid acetic hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu: 0,8 m3h có nồng độ 88% khối lượng nước ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 99,5% khối lượng nước, sản phẩm đáy 70% khối lượng nước. Đối với hệ nước – acid acetic là hệ 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt độ sôi cách xa nhau, nên ta dùng phương pháp chưng cất để thu được nước có độ tinh khiết cao

ĐAMH Quá Trình Thiết Bị MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT Phương pháp chưng cất Thiết bị chưng cất: II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU Nước Acid acetic Hỗn hợp Nước – Acid acetic III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – ACID ACETIC CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Tỉ số hoàn lưu thích hợp IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng Số mâm lý thuyết CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính đoạn cất Đường kính đoạn chưng II.TRỞ LỰC CỦA MÂM Cấu tạo mâm lỗ Độ giảm áp pha khí qua mâm Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động : III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Bề dày thân tháp : Đáy nắp thiết bị : Bích ghép thân, đáy nắp : Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn : Tai treo chân đỡ: CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy Thiết gia nhiệt nhập liệu II TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU Tính chiều cao bồn cao vị Chọn bơm CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ II KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐAMH Quá Trình Thiết Bị LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển vượt bậc công nghiệp giới nước nhà, ngành công nghiệp cần nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Các phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đồ án môn học Quá trình Thiết bị môn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹû thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ ĐAMH thiết kế tháp chưng cất hệ nước – acid acetic hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu: 0,8 m3/h có nồng độ 88% khối lượng nước ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 99,5% khối lượng nước, sản phẩm đáy 70% khối lượng nước Đối với hệ nước – acid acetic hệ cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt độ sôi cách xa nhau, nên ta dùng phương pháp chưng cất để thu nước có độ tinh khiết cao Trong qua trình chưng cat ta thu sản phảm day với nông nhỏ de phục vụ cho nganh công nghiep sản xuat cao su Em chân thành cảm ơn q thầy cô môn Máy & Thiết Bị, thầy bạn sinh viên giúp em hoàn thành đồ án Em mong góp ý, dẫn q thầy cô ĐAMH Quá Trình Thiết Bị CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: Phương pháp chưng cất : Chưng cất qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay - ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất trình dung môi chất tan bay hơi, cô đặc trình có dung môi bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hệ cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ nước – acid acetic sản phẩm đỉnh nước, sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic nước Các phương pháp chưng cất: phân loại theo: • Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử • Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) liên tục * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp đïc sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) trình thực liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn • Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Vậy: hệ nước – acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vaò lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước tháp : đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm • Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đóa, ta có: * Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm • Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự * So sánh ưu nhược điểm loại tháp : Ưu điểm: Tháp chêm - Đơn giản - Trở lực thấp Nhược điểm: - Hiệu suất thấp - Độ ổn định Tháp mâm xuyên lo.ã - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Trở lực cao - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đóa thật phẳng - Thiết bị nặng Tháp mâm chóp - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn - Không làm việc với chất lỏng bẩn Nhận xét:ta nhan thay thap chem don giản dẽ sử dụng nhat Vaäy: Chưng cất hệ nước – acid acetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp, nhập liệu sau trao đổi nhiệt với thiet bi gia nhiet nhap lieu,san pham day dược làm nguội để thu sản phẩm chính, sản phẩm đỉnh dẫn vào nồi đun để tạo nước nhiệt cấp nhiệt cho nhập liệu nồi đun đáy tháp II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu hỗn hợp bezen – acid acetic NƯỚC: ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Nước: chất lỏng không màu, khơng ùmùi,la dung mơi hoa tan tốt cá hợp chất phan cực,năng dung mơi hữu cơ, không hoa tan dung mơi hữu cơ,…nước sôi 1000C đông đặc 00C Acid acetic: Acid acetic: loại acid quan trọng loại acid hữu Nó rẻ nên ứng dụng rộng rãi hoá chất để điều chế nhiều hợp chất quan trọng Acid acetic ứng dụng nghành : + Làm dấm ăn + Đánh đông mủ cao su + Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat + Làm phim ảnh không nhạy lửa + Làm chất kết dính polyvinyl acetat + Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp Hỗn hợp Nước-Acid acetic: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Nước-Acid acetic 760 mmHg: x(%phaân mol) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phaân mol) 9.2 71.6 93 100 104.4 103.3 79.5 102 86.4 115.4 53 105 62.6 118.1 30.3 110 42.5 t(oC) 16.7 113 101.3 100.6 100 107.5 ÑAMH Quá Trình Thiết Bị III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC-ACID ACETIC: * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ nước-acid acetic: Hơi khôn g ngư ng N ướ c 15 14 P T Nước T Nướ c 10 T Nước Sản Pha åm Đ ỉnh P 11 Hơi Nước T 12 T 13 Nguyên L iệ u Sả n Phẩ m Đáy Nướ c L ỏng Sản Phẩm Đá y Chú thích : Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Bẩy Lưu lượng kế Van Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Bộ phận chỉnh dòng 10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 12 Nồi đun 13 Đun sôi nhập liệu sản phẩm đáy ĐAMH Quá Trình Thiết Bị 14 p kế 15 Nhiệt kế * Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 88% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 25 C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị gia nhiệt (13) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Ở đây, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ 100,17270C Sau đó, hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) đóa nhập liệu Trên đóa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp hơi, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đóa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều ( có nồng độ 99,5% theo khối lượng ) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (8) ngưng tụ phần ( ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phần lại chất lỏng ngưng hồi lưu tháp đóa với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay ( acid acetic) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ nước 70% theo khối lượng, lại acid acetic Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp, phần đun, bốc nồi đun (12) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại đưa qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đáy(10) trao đổi nhiệt với nước làm mát , nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt 400C Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh nước, sản phẩm đáy acid acetic sau trao đổi nhiệt với nươc làm mát đưa vào bồn chứa ĐAMH Quá Trình Thiết Bị CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT Ký hiệu đại lượng: Kí hiệu Ý nghĩa Cân vật chất Năng suất nhập liệu theo khối lượng F F Năng suất nhập liệu theo số mol Suất lượng sản phẩm ñỉnh theo khối lượng D D Suất lượng sản phẩm đñỉnh theo số mol Suất lượng sản phẩm đáy theo khối lượng W W Suất lượng sản phẩm đáy theo số mol xF Nồng ñộ phần mol nhập liệu pha lỏng Nồng đñộ phần khối lượng nhập liệu xF pha lỏng xD Nồng đñộ phần mol sản phẩm đñỉnh pha lỏng Nồng đñộ phần khối lượng sản phẩm đñỉnh xD pha lỏng xW Nồng độ phần mol dòng sản phẩm đáy pha lỏng Nồng đñộ phần khối lượng sản phẩm đáy xW pha lỏng yF Nồng ñộ phần mol nhập liệu pha Nồng ñộ phần khối lượng dòng nhập liệu yF pha yD Nồng đñộ phần mol sản phẩm đñỉnh pha Nồng ñộ phần khối lượng sản phẩm đñỉnh yD pha yW Nồng đñộ phần mol sản phẩm đđáy pha Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đđáy yW pha x Nồng đđộ phần mol pha lỏng Nồng đñộ phần khối lượng pha lỏng x * y Nồng ñộ phần mol pha caân với pha lỏng Đơn vị kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Nồng đđộ phần khối lượng pha cân với pha lỏng Ma Khối lượng mol phaân tử bezen Ma Khối lượng mol phaân tử acid acetic M tb Khối lượng mol phân tử trung bình G Suất lượng theo số mol Suất lượng theo khối lượng G MF Khối lượng mol phân tử trung bình nhập liệu MD Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm đđỉnh MW Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm đđáy tS Nhiệt đđộ sôi dung dịch tFS Nhiệt đđộ sôi nhập liệu tDS Nhiệt đđộ sôi sản phẩm đđỉnh tWS Nhiệt đđộ sôi sản phẩm đđáy tFv Nhiệt đđộ nhập liệu vào tDr Nhiệt đđộ sản phẩm đđỉnh tWr Nhiệt đđộ sản phẩm đáy t Nr Nhiệt đñộ nước t Nv Nhiệt đñộ nước vào Tính số đĩa thực Rmin Chỉ số hồn lưu tối thiểu Rth Chỉ số hồn lưu thích hợp f Chỉ số nhập liệu α Độ bay tương đđối µ Độ nhớt µhh Độ nhớt hỗn hợp µa Độ nhớt aceton µn Độ nhớt nước η Hiệu suất đñĩa ηD Hiệu suất đñĩa đỉnh ηW Hiệu suất đđĩa đáy ηF Hiệu suất đđĩa vị trí nhập liệu ηtb Hiệu suất đđĩa trung bình y* % khối lượng kg/kmol kg/kmol kg/kmol kmol/h kg/h kg/kmol kg/kmol kg/kmol C C C C C C C C C cP cP cP cP 10 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Vậy: nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với số ống n = 91, chiều dài ống truyền nhiệt L = 1,5(m) ng bố trí theo hình lục giác Nên ta có số ống đường chéo hình lục giác: b = 9(ống) Chọn bước ngang hai oáng: t = 1,4.d ng = 1,4.0,025 = 0,035 (m) Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t.(b-1)+4.dng = 0,035(9-1)+4.0,025 = 0,380(m) Thiết gia nhiệt nhập liệu : Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống ng truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong:25x2; kích thước ống ngoài: 38x2 Dòng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t”F =30oC ,nhiệt độ cuối: tF =101oC Chọn đốt nước at, ống 38x2(ống ngoài) Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: + Nhiệt độ sôi: tsN = 119,6oC + n nhiệt ngưng tụ: rN = 2208 (KJ/kg) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] t " +t ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = F F =65,5oC: + Nhiệt dung riêng: cF = 3955,637 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: ρF = 982,099 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,465.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,6013 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu: 766,5272 G Qc = F cF.(tF – t”F) = 3,9556.(101 -65,5)=15,1176 (KW) 3600 3600 Suất lượng nước cần dùng: Qc 15,1176 = GhN = = 0,0068 (Kg/s) rN 2208 b Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qt Ftb = K ∆t ,(m2) (IV.22) log Với: + K : hệ số truyền nhiệt + ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit • Xác định ∆tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: 44 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị ∆tlog = (119,6 − 30) − (119,6 − 101) = 45,1598 o 119,6 − 30 ( K) Ln 119,6 − 101 • Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 ,(W/m2.oK) + Σrt + αF αN (IV.23) Với: + αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + αN : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + ∑rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ : Vận tốc dòng nhập liệu ống ngoaøi: GF 766,5272 vF = = = 0,6263 (m/s) 3600.ρ F π d ng 3600.982,099 π 0,0212 Chuẩn số Reynolds : v d ρ 0,6263.0,009.982,099 Re F = F td F = = 11904 > 104 : chế độ chảy rối, µF 0,465.10 − công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Pr ,8 , 43 Nu F = 0,021.ε l Re F PrF ( F ) 0, 25 Prw Trong đó: + εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=11904ø,chọn εl =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 74,033 oC, nên cF µ F 3955.0,465.10 −3 = PrF = = 3,0589 λF 0,6013 81,8428 Suy ra: Nu F = , 25 Prw Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Nu F λF 81,8428.0,6013 5467,961 = = αF = d , 25 , 25 Prw 0,009 Prw td Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: 5467,961 q F = α F (t w − ttbF ) = (t w − 65,5) (W/m2) (IV.24) , 25 Prw Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: 45 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị qt = t w1 − t w , (W/m2) Σrt Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) δt + Σrt = + r1 + r2 λt Bề dày thành ống: δt = 2(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vaäy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.25) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức:  rN αN= 0,725 A.  (t − t ).d  sN w1 td 91,265 A = (119,6 − t w1 ) 0, 25     , 25   2260.1000 = 0,725 A.  (119,6 − t ).0,009   w1   , 25 Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: q N = α N (t sN − t w1 ) = 91,265 A.(100 − t w1 ) 0,75 (W/m2) (IV.26) Choïn: tw1 = 110,311oC : 119,6 + 110,311 Khi đó, nhiệt độ trung bình = 114,9555oC ta tra A = 185 Từ (IV.26): qN =91,261.185.(119,6 – 114,9555)0,75 = 89836,48(W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =89836,48 (W/m2) qt Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1=64,1094oC 1944,444 110,311 + 64,1094 t +t = 87,2102 oC Suy ra: ttbw = w1 w = 2 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 87,2102 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 3,95304 (KJ/kg.độ) 46 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị + Độ nhớt động lực: µR = 0,469-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,6003 (W/moK) cR µ R 3,9531.0,469.10 −3 = Khi đó: Prw2 = = 3,0884 λR 0,6003 5467,961 (87,21027 − 65,5) = 89547,64 (W/m2) Từ (IV.24): qF = , 25 3,0884 Kiểm tra sai soá: qN − q F 89836,48 − 89547,64 = ε= =0,32% < 5%: thoả qN 89836,48 Vậy: tw1 = 110,311oC vaø tw2 = 64,1094oC 91,265.185 = 1817,636 (W/m2.oC) Khi đó: α N = (119,6 − 110,311) 0, 25 5467,961 αF = = 4124,683 (W/m2.oC) 3,0884 0, 25 K= = 765,1732 1 Từ (IV.23): (W/m2.oC) + + 1817,636 1944,444 4124,683 Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: 15,1176.1000 Ftb = = 0,4375 (m2) 765,1732.45,1598 Suy chiều dài ống truyền nhiệt : 0,4375 = = 6,0578 L π 0,025 + 0,021 (m) Choïn: L = 7(m),(dự trữ khoảng 20%) L = = 333,333 > 50 εl = 1: thoả Kiểm tra: d tr 0,021 Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 7(m), chia thành 10 dãy, dãy dài 0,7 (m) II TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ: Trong trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày lớn Để tháp hoạt động ổn định, với thông số thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội (nhất sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp) Khi đó, chi phí cho đốt tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí đốt, ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp 47 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp amiăng có bề dày δa Tra tài liệu tham khảo [2], hệ số dẫn nhiệt amiăng λa = 0,151 (W/m.oK) Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qd = 0,05.75020,4093 = 3751,0204 (KW) Nhiệt tải mát riêng: Qm λ a λ = (t v1 − t v ) = a ∆t v (W/m2) qm = (IV.27) f tb δ a δa Với: + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt tháp + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí + ∆tv : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Nhận thấy: qm = const, nên chọn ∆tv = ∆tmax = tđáy -tkk ,tkk = 28oC Suy ∆tv = 100 – 28 = 72oC + ftb : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) ftb = π.H.Dtb = π.H.(Dt + Sthân + δa) Từ (IV.27), ta có phương trình: 3751,0204.1000 0,151 = 72 π 14,5.(0,500 + 0,003 + δ a ) δa Suy ra: δa = 0,0025(m) Vậy: chọn δa = 10 (mm) 48 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: Tính chiều cao bồn cao vị: Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám ống ε=0,1(mm) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] t + t'F ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = F = 65,5oC: + Khối lượng riêng: ρF = 982,099 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,465.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: QF 15,1176 = vF = = 0,1105 (m/s) 3600.ρ F π d 3600.982,099 π 0,052 a Tổn thất đường ống dẫn:  l1 v  λ1 + Σξ1  F h1 =   2.g  d1  (m) Với: + λ1 : hệ số ma sát đường ống + l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20(m) + d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,05(m) + ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục + vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, vF = 0,1105(m/s) * Xác định λ1 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: v d ρ 0,1105.0,05.982,099 Re1 = F F = = 11666 µF 0,465.10 − Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8  50  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh1= 6.  = 6.  =7289,343 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  50  d  Ren1= 220.  = 220.  =23,9.104 ε   0,1  Suy ra: Regh1 < Re1< Ren1: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): 0, 25  ε 100   = 0,1308 λ1= 0,1.1,46 +  d1 Re1    * Xác định ∑ξ1: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 10 chỗ uốn cong: ξu1=10.1,1 = 11 49 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị + van (van cầu): ξv1= 3.10 = 30 + lần đột thu: ξt1 = 0,5 + lần đột mở: ξm1 = + lưu lượng kế: ξl1 = (không đáng kể) Suy ra: ∑ξ1 = ξu1 + ξv1 + ξt 1+ ξm1 + ξl1 = 42,5 20   0,149 + 42,5   0,0345 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1= =0,064(m) 0,05   2.9,81 b Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt:  v l h2 =  λ + Σξ   d  2.g (m)   Với: + λ2 : hệ số ma sát đường ống + l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 18(m) + d2 : đường kính ống dẫn, d2 = 0,021(m) + ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục + v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v2 = 0,6263(m/s) * Xác định λ2 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.4) Re2=11904 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta coù: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh2= 6.  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren2= 220.  = 220.  =90140,38 ε   0,1  Suy ra: Regh2 < Re2 < Ren2: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): , 25  ε 100   = 0,1308 λ2= 0,1.1,46 +  d Re    * Xác định ∑ξ2: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 11 chỗ ống cong quay ngược: ξq2=11.2,2 = 24,2 + chỗ uốn cong: ξu2= 1,1 + lần co heïp: ξc2 = 0,385  0,0212   = 0,6783 + lần mở rộng: ξm2 = 1 −  0,05    Suy ra: ∑ξ2 = ξu2 + ξq2 + ξc2+ ξm =26,363 50 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt: h2= 18   0,84 + 26,363   0,0334 =1,978(m) 0,021   2.9,81 c Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu:   v2 l h3 =  λ3 + Σξ   d  2.g (m)   Với: + λ3 : hệ số ma sát đường ống + l3 : chiều dài đường ống dẫn, l3 = 15(m) + d3 : đường kính ống dẫn, d3 = 0,021(m) + ∑ξ3 : tổng hệ số tổn thất cục + v3 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v3 = 0,6263(m/s) * Xác định λ3 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.5) Re3= 11904 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta coù: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh3= 6.  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren3= 220.  = 220.  =90140,38 ε   0,1  Suy ra: Regh3 < Re3 < Ren3: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): , 25  ε 100   = 0,1308 λ3= 0,1.1,46 +  d Re    * Xác định ∑ξ3: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq3=9.2,2 = 19,8 + chỗ uốn cong: ξu3= 1,1 + lần co heïp: ξc2 = 0,385  0,0212   = 0,6783 + lần mở rộng: ξm2 = 1 −  0,05    Suy ra: ∑ξ3 = ξu3 + ξq3 + ξc3+ ξm =21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt: h3= 15   0,855 0,0319 + 21,963   =1,667(m) 0,021   2.9,81 Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị + Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp 51 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị p dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v1 v2 z1 + + = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g ρ F g 2.g 2.g 2 P2 − P1 v − v1 + hay z1 = z2 + +∑hf1-2 ρ F g 2.g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1 + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất: z2 = hchân đỡ + hnắp + (Nchưng+1) (h + δmaâm ) = 0,145 + 0,15 + 11.(0,25 + 0,0018) = 3,0648 (m) + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆P=P2 –P1 =Ncaát htl = 42 379,226 = 15927,492 (N/m2) + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0(m/s) + v1 : vận tốc vị trí nhập liệu, v1 = vF = 0,149 (m/s) + ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 0,064 + 1,978 + 1,667 = 3,709(m) 2 P2 − P1 v − v1 + Vậy: Chiều cao bồn cao vò: Hcv = z2 + +∑hf1-2 ρ F g 2.g 15927,492 0,149 − + =2,813 + + 4,307 947,513.9,81 2.9,81 = 8,489(m) Choïn Hcv = 10(m) Chọn bơm: Lưu lượng nhập liệu: VF = GF 776,5272 = = 0,7805 (m3/h) ρF 982,099 Chọn bơm có suất Qb = 0,8 (m3/h).Đường kính ống hút, ống đẩy 21(mm),nghóa chọn ống 25x2 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 28 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 999.256 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 1,772.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống hút đẩy: 4.Qb 4.0,8 = vh = v d = 3600.π ,0,0212 = 0,6419(m/s) 3600.π d h Tổng trở lực ống hút ống đẩy: 52 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị  lh + ld  vh + Σξ h + Σξ d  hhd =  λ   2.g dh   Với: + lh : chiều dài ống hút, chọn lh = 1,5 (m) + ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 11,5 (m) + ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút + ∑ξd : tổng tổn thất cục ống đẩy + λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy * Xác định λ: Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: vh d h ρ F 0,6419.0,021.999.256 = Re= =7601 µF 1,772.10 − Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh= 6. h  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren= 220. h  = 220.  =90140,38 ε   0,1  Suy ra: Regh < Re < Ren: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): , 25  ε 100   = 0,1308 λ= 0,1.1,46 +  d h Re    * Xác định ∑ξh: Hệ số tổn thất cục ống hút qua: + van cầu: ξvh= 10 + lần vào miệng thu nhỏ: ξt = Suy ra: ∑ξh = ξvh + ξt =10,5 * Xác định ∑ξd: Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua: + van caàu: ξvd= 10 + laàn uốn góc: ξu =2ø.1,1 = 2,2 Suy ra: ∑ξh = ξvd + ξu =12,2 Vậy:Tổn thất ống hút ống đẩy: 1,5 + 11,5   0,6419 + 10,5 + 12,2  hhd =  0,1308   2.9,81 =0,4955(m) 0,021   Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu + Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị p dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): 53 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị 2 P1 P2 v1 v2 z1 + + + Hb= z2 + + +∑hf1-2 ρ F g ρ F g 2.g 2.g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at + v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1=v2= 0(m/s) + ∑hf1-2 =hhd: tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) + Hb : cột áp bơm Suy ra: Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 10 +0,4955 =10,5(m.chất lỏng) Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Qb H b ρ F g 0,8.10,5.999,256.9,81 = Công suất thực tế bơm: Nb = 3600.η b 3600.0,8 = 28,59(W) = 0,0383 (hp) Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM Qb = 0,8 (m3/h) acid axetic chất độc hại 54 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ: • Lượng thép X18H10T cần dùng: G1 = 53.m2+ m3+ 2.m4 = 53.1,955 + 531,808 + 2.7,347 = 650,117(Kg) • Lượng thép CT3 cần dùng: G2 = Gbích ghép thân + Gbích ghép ống dẫn π π = 30.18,144 +(2.4 .(0,1402-0,0502).0,012 + 2.2 (0,2052-0,1002) 4 0,014) 7850 = 565,498(Kg) • Số lượng bulông cần mua: n = 15.20 + 4.5 = 320 (bulông) • Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng: V = π.(Dt + St ).δa H = π.(0,5 + 0,003).0,02.14,5 = 0,4583(m3) • Chiều dài ống dẫn: * ng 25mm: L1= Lb +LTBTĐN +LTBGN +Lnồi đun +LTBnt +LTBln = 13 + 18 + 15 + 91.1,5 + 91.1,5 + 20.2 =359(m)~360(m) * Oáng (31-50)mm: L2= Ldẫn + LTBGN +LTBTĐN +l1 = 40 +15 +18 +20 = 93(m) ~ 95(m) * Oáng 100mm: choïn ống dẫn đỉnh đáy tháp: L3 = 10(m) • Kính quan sát: đường kính là:100(mm), dày 5(mm) π S = 0,12 = 0,0157(m2) • Bộ phận nối cong ống: Những chỗ quay ngược ống ta dùng phận nối ống cong 90 o * Noái oáng 25mm: 11.2 + + 2.2 = 27 (cái) * Nối ống (31-50)mm: 10 + 11.2 + = 33 (cái) • Vậy: số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị 55394934 (đồng) Tiền gia công chế tạo thiết bị(gia công phức tạp, độ xác cao) 500% tiền vật tư: 500%.55394934 = 276974670 (đồng) Tóm lại: Chi phí đầu tư: 55394934 + 276974670 = 332369604 (đồng) Tổng chi phi đầu tư (bao gồm chi phí phát sinh) chọn 400 (triệu đồng) 55 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Vật liệu Số lượng Đơn gía Thành tiền 56 ĐAMH Quá Trình Thiết Bị Thép X18H10T 650,117 (kg) 50000 (đ/kg) 32505850 Thép CT3 565,498 (kg) 10000 (đ/kg) 5654980 Bulông 320 (bulông) 3000 (đ/bulông) 960000 3 Vật liệu cách nhiệt 0,4583 (m ) 4000000 (đ/m ) 1833200 ng dẫn 25mm 360 (m) 15000 (đ/m) 5400000 ng dẫn (31-50)mm 95 (m) 20000 (đ/m) 1900000 ng dẫn 100mm 10 (m) 40000 (đ/m) 400000 Bộ phận nối 25mm 27 (cái) 30000 (đ/cái) 810000 Bộ phận nối (31-50)mm 33 (cái) 50000 (đ/cái) 1650000 Bơm 2.0,064 (hp) 700000 (đ/hp) 89600 p kế tự động (cái) 600000 (đ/cái) 600000 Nhiệt kế điện trở tự ghi (cái) 200000 (cái) 1000000 Lưu lượng kế (